Тема 9. Эволюция систем сотовой связи

История развития систем сотовой связи

Появлению сетей сотовой подвижной связи предшествовал долгий период эволюционного развития радиотелефонной системы связи, в течение которого осваи­вались различные частотные диапазоны, и совершенствовалась техника связи. Идея сотовой связи была предложена в ответ на необходимость развития широкой сети подвижной связи в условиях ограничений на доступные полосы частот.

В середине 40-х годов исследовательский центр Bell Labs американской компании AT&T предложил идею разбиения обслуживаемой территории на небольшие участки, кото­рые стали называться сотами, (cell - ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без взаимных помех использовать ту же самую частоту повторно в другой ячейке (соте).

Но прошло около 30 лет, прежде чем такой принцип организации связи был реализован на аппаратном уровне. В 70-х годах начались работы по созданию единого стандарта сотовой связи для пяти североевропейских стран - Швеции, Финляндии, Исландии, Дании и Норвегии, который по­лучил название NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) и был предназначен для работы в диапа­зоне 450 МГц. Эксплуатация первых систем сотовой связи этого стандарта началась в 1981 г. Сети на основе стандарта NMT-450 и его модифицированных версий стали широко использоваться в Австрии, Голландии, Бельгии, Швейцарии, а также в странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока. На базе этого стандарта в 1985 г. был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, который позволил расширить функциональные возможности и зна­чительно увеличить абонентскую емкость системы.

В 1983 г. в США вступила в эксплуатацию сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Этот стандарт был разработан в исследовательском центре Bell Laboratories.

В 1985 г. в Великобритании был принят в качестве национального стандарт TACS (Total Access Communications System), разработанный на основе американского стандарта AMPS.

В конце 80-х годов приступили к созданию систем сотовой связи (ССС), основанных на цифровых методах обработки сигналов. С целью разработки единого европейского стан­дарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц в 1982 г Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM дала название новому стандарту (позднее GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). Резуль­татом работы этой группы стали опубликованные в 1990 г. требования к системе ССС стан­дарта GSM.

В США в 1990 г. американская Промышленная Ассоциация в области связи TIA (Tele­communications Industry Association) утвердила национальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Этот стандарт более известен под аббревиатурой D-AMPS. В отличие от Евро­пы, в США не были выделены новые частотные диапазоны, поэтому система должна была ра­ботать в полосе частот, общей с обычным AMPS. В то же время американская компания Qual-comm начала разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов - CDMA (Code Division Multiple Access).

В 1991 г. в Европе появился стандарт DCS-1800 (Digital Cellular System 1800 МГц), созданный на базе стандарта GSM.

В Японии был разработан собственный стандарт сотовой связи JDC (Japanese Digital Cellular), близкий по своим показателям к стандарту D-AMPS. Стандарт JDC был утвержден в 1991 г. Министерством почт и связи Японии.

В 1993 г. в США Промышленная Ассоциация в области связи (TIA) приняла стандарт CDMA как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95. В сентябре 1995 г. в Гонконге была открыта коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.

В общем виде эволюция систем подвижной связи представлена на рисунке 6.4.

Поколения систем сотовой связи

В эволюционном развитии сотовых систем связи можно выделить три поколениях: первое - аналоговые системы; второе - цифровые системы; третье - универсальные системы мобильной связи. Следует отметить, что стандарты первого поколения разрабатывались почти каждой экономически развитой страной самостоятельно, чем объясняется их большое количество; второе поколение уже имеет тенденцию к объединению (примером является стандарт GSM).

Аналоговые системы сотовой связи

В таблице 6.1 представлены наиболее распространенные стандарты аналоговой связи.

Характеристики ССС основных аналоговых стандартов представлены в таблице 6.2.

Во всех аналоговых стандартах применяется частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) моду­ляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления. Этот способ

Таблица 6.1

Аналоговые стандарты сотовой связи

Абривиа-тура	Расшифровка абривиатуры	Перевод	Распространненость
AMPS	Advanced Mobile Phone Service	Усовершенствованная мобильная телефонная служба	Широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; используется в России в качестве ре­гионального стандарта
TACS	Total Access Communications System	Общедоступная система связи	Используется в Англии, Ита­лии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония); второй по распространенности стандарт среди аналоговых
NMT-450 NMT-900	Nordic Mobile Telephone	Мобильный телефон северных стран	Используется в Скандинавии и во многих других странах; третий по распространенности среди аналоговых стандартов; стандарт NMT-450 принят в России в качестве федерального
С-450		(диапазон 450 МГц)	Используется в Германии и Португалии
RTMS	Radio Telephone Mobile System	Мобильная радиотелефонная система, диапа­зон 450 МГц	Используется в Италии
Radiocom 2000			Используется во Франции
NTT	Nippon Telephone and Telegraph system	Японская система телефона и телеграфа	Используется в Японии

имеет ряд существенных недостатков:

- возможность прослушивания разговоров другими абонентами;

- отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов.

Таблица 6.2

Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи

Характеристика	Стандарт
AMPS	TACS	NMT-450	NMT-900	Radiocom-2000	NTT
Диапазон частот, МГц					170, 200, 400	800-900
825-845 870-890	935-950 890-905	453-457,5 463-467,5	935-960 890-915	424,8-427,9 418,8-421,9	925-940 870-885
Метод доступа	FDMA	FDMA	FDMA	FDMA	FDMA	FDMA
Радиус ячейки, км	2-20	2-20	2-45	0,5-20	5-20	5-10
Число каналов подвижной станции		600 (640)		1000/1999		До 1000
Число каналов базовой станции					-
Мощность передатчика базовой станции, Вт					-
Ширина полосы частот канала, кГц				25 (12,5)	12,5
Время переключения канала на границе ячей­ки, мс					-
Минимальное отноше­ние сигнал/шум, дБ					-

Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот - применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access - FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем - относительно низкая емкость, являющаяся следствием недостаточно рационального использования выде­ленной полосы частот при частотном разделении каналов.

Цифровые системы сотовой связи

Перечисленные недостатки обусловили появление цифровых ССС. Переход к цифро­вым системам также стимулировался широким внедрением цифровой техники в отрасль свя­зи и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов.

Переход к цифровым системам натолкнулся на некоторые трудности. В США анало­говый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его циф­ровым стандартом оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Разработанный стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS - сокращение от Interim Standard, т.е. «промежуточный стандарт»). В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем. Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM-900 - диапазон 900 МГц). Цифровой стандарт, по техническим характеристикам схо­жий с D-AMPS, был разработан в Японии; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. - PDC (Personal Digital Cellular - «персональная цифровая сотовая связь»).

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления (КУ). Цифровая версия IS-54 сохранила структуру КУ аналогового AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто цифровые КУ были введены в версии IS-136. При этом была сохранена совместимость с AMPS и IS-54, но повышена ем­кость КУ и расширены функциональные возможности системы. Позже было принято реше­ние обозначать этот стандарт GSM-1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в Америке название диапазона систем персональной связи (PCS - Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский» GSM-1900 - стандарт IS-661).

Цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access - TDMA). Однако уже в 1992 - 1993 гг. в США был разработан стандарт ССС на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access - CDMA) - стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995-1996 гг. в Гон­конге, США, Южной Корее, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц.

Основные цифровые стандарты ССС приведены в таблице 6.3:

Таблица 6.3

Основные цифровые стандарты сотовой связи

Абривиатура	Расшифровка абривиатуры	Перевод	Распространненость
D-AMPS	Digital AMPS (Advanced Mobile Phone Service)	Усовершенствованная мобильная телефонная служба	цифровой AMPS
GSM	Global System for Mobile Communications	Глобальная система мобильной связи	второй по распространенности стандарт мира
CDMA	Code Division Multiple Access	Множественный доступ с кодовым разделени­ем каналов
JDC	Japanese Digital Cellular	Японский стандарт цифровой сотовой связи

Цифровые ССПС по сравнению с аналоговыми системами предоставляют абонентам больший набор услуг и обеспечивают повышенное качество связи, а также взаимодействие с цифровыми сетями ISDN и пакетной передачи данных (PDN).

Характеристики цифровых стандартов представлены в таблице 6.4.

Таблица 6.4

Сравнительные характеристики цифровых стандартов

Характеристика	Стандарт
D-AMPS	GSM	JDC	CDMA
Метод доступа	TDMA	TDMA	TDMA	CDMA
Число речевых каналов на физический канал		8 (16)
Отведенный и рабочий диапазон частот, МГц	(800 и 1900 МГц)	(900, 1800 и 1900 МГц)	810-826 940-956 1429-1441 1447-1489 1501-1513	(800 и 1900 МГц)
824-840 869-894	935-960 890-915	824-840 869-894
Ширина полосы частот радиоканала, кГц
Эквивалентная полоса частот на один разговорный канал, кГц		25 (12,5)	8,3	-
Вид модуляции	π/4 DQPSK	0,3 GMSK	π/4 DQPSK	QPSK
Скорость передачи информации, кбит/с				-
Скорость преобразования речи, кбит/с	-	13 (6,5)	11,2 (5,6)
Минимальное отноше­ние сигнал/шум, дБ			-
Алгоритм преобразования речи	VSELP	RPE-LTR	VSELP	CELP
Радиус соты, км	0,5-20	0,5-35	0,5-20	0,5-25

Системы мобильной связи 3-го поколения

Дальнейшее развитие CCC осуществляется в рамках создания проектов систем третьего поколения (3G), которые будут отличаться унифицированной системой радиодоступа.

Программа IMT-2000 (International Mobil Telecommunications-2000) по созданию нового семейства систем подвижной связи третьего поколения, охватывает технологии, наземной сотовой, спутниковой связи и беспроводного доступа. Суть новой концепции состоит в совмещении существующих сетей с системами, бази­рующимися на новом семействе стандартов 3-го поколения, которое получило обозначение IFS (IMT-2000 Family of Systems).

Архитектура систем будущего должна включать в себя два основных элемента: сетевую инфраструктуру (Access Network) и магистральные базовые сети (Core Network). Она должна обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т. е. разных скоростей его движения):

- 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).

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 технологии 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.

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. 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.

В качестве магистральной 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).