Системы мобильной сотовой связи с частотно-временным разделением каналов

ГЛАВА 13

ТЕРРИТОРИАЛЬНЫЕ СОТОВЫЕ СИСТЕМЫ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ ОБЩЕГО ПОЛЬЗОВАНИЯ

Общие положения

Системы сотовой мобильной связи общего пользования (сотовой связи) динамично развиваются во всех странах мира и являются одним из наиболее перспективных сегментов международного рынка телекоммуникаций. Число абонентов сотовой связи в мире превысило 2 млрд. и продолжает стремительно расти, приближаясь к показателям стационарных сетей, а в развитых странах и превышая эти показатели [29].

Системы сотовой связи принято подразделять на несколько поколений. Первое поколение – это аналоговые системы, действующие, как правило, в рамках национальных границ. Эти системы уже практически не встречаются в сетях общего пользования.

Появившиеся в конце 80-х годов цифровые системы сотовой связи охватывают большую часть регионов мира. Они относятся ко второму (2G) поколению систем, в которых доминируют стандарты GSM (Global System for Mobile Communications) и CdmaOne (технология узкополосного радиоинтерфейса, разработанного компанией Qualcomm. Основные технические параметры сетей CdmaOne определены в стандартах Telecommunication Industry Association – организации, занимающейся разработкой телекоммуникационных стандартов США, в частности в стандартах IS-95, IS-46 и др.), не предусматривающие высокоскоростную передачу данных.

Ко времени, когда были разработаны стандарты третьего (3G) поколения, количество сетей второго поколения и их абонентская база достигли значительной величины. В них были вложены огромные денежные средства, и поэтому был избран принцип эволюционного перехода к сетям третьего поколения. Были разработаны различные технические решения, благодаря которым операторы могли предоставлять услуги передачи данных без серьёзных изменений в действующих сетях. Для сетей GSM таким развитием стали технологии GPRS (General Рacket Radio Service) и EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution), а для сетей CDMA (CdmaOne) – технология IS-95B.

Сети 3G развертываются прежде всего там, где они действительно крайне востребованы. При этом абонентские терминалы этих сетей наделены, как правило, возможностью поддержки нескольких радиоинтерфейсов, в том числе сетей 2G. Повышается роль широкополосного беспроводного доступа.

Для того, чтобы гармонизировать стандарты, в МСЭ была принята концепция построения системы подвижной связи на основе семейства международных мобильных средств телекоммуникаций2000(International Mobile Telecommunications 2000, IMT-2000). Сети, входящие в это семейство, должны обеспечивать доступ к широкому набору телекоммуникационных услуг, поддерживаемых стационарными мобильными сетями связи. При этом различные виды мультирежимных многочастотных подвижных терминалов, а также стационарные терминалы должны обеспечить абонентам пользование услугами связи с помощью сетей как наземного, так и космического базирования.

Предлагались различные пути перехода к системам третьего поколения. Сложность заключалась в несоответствии распределения частот в различных частях света, затрудняющем стандартизацию диапазонов и отягощающем выработку единой системной концепции. Другим серьёзным препятствием являлось естественное стремление ряда корпораций, особенно лидеров в продвижении систем стандарта IS-95 (Qualcomm, Lucent и др.), максимально сгладить производственные проблемы, неизбежно сопровождающие переход на новые технологии, и соблюсти преемственность между 2G и 3G стандартами. В итоге были выработаны базовые требования, определяющие философию3G, а именно:

· скорость передачи данных – 2Мбит/с в пределах полосы не более 5МГц (для CDMA 2000 – в пределах 1,25 МГц);

· варьирование скорости в широком диапазоне в зависимости от характера передаваемых данных; возможность в рамках одного контакта реализовать мультиплексную передачу данных различного содержания и разного уровня требований к качеству (речь, мультимедиа и т.п.);

· сосуществование систем 2G и 3G в течение длительного времени и возможность эстафетной передачи между ними с целью расширения зон покрытия и выравнивания трафика;

· поддержка асимметричного режима работы, когда линия «вниз» имеет значительно более напряжённый трафик (например, при поиске информации в интернете) по сравнению с линией «вверх»;

· максимальная гибкость сетевого оборудования и возможность построения его на основе «набора инструментов» (Toolbox);

· применение перспективных методов улучшения качества связи (разнообразных методов адаптации к условиям распространения радиоволн и электромагнитной обстановки, методов пространственной селекции и т.д.).

В рамках реализации концепции международной мобильной связи IMT-2000 допускалась возможность двух стратегий перехода к 3G-системам (табл. 13.1): одномоментная (революционная) и постепенная (эволюционная).

Революционная концепция предполагает внедрение всех новейших технологий и новых интерфейсов посредством полной замены базового и абонентского оборудования, что, естественно, сопряжено с большими капитальными затратами и определенным коммерческим риском. Для отработки данной стратегии в разных районах мира уже создаются экспериментальные сети.

Эволюционная концепция 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.

Один из важнейших признаков, принципиально разделяющих два таких подхода, это способ освоения частотного ресурса. При революционном сценарии требуется новый частотный ресурс. Европа пошла по этому пути и выделила для систем 3-го поколения «индивидуальные» полосы радиочастот. Подход в США абсолютно иной: там спектр, выделенный для IMT-2000, уже занят службами, и 3G-системы работают в старых полосах частот, замещая сети стандарта D-AMPS (Digital Advance Mobile Phone System, D-AMPS),получивших широкое распространение в Америке, в Тихоокеанском регионе Азии и Восточной Европе, с возможностью последующего выделения дополнительных полос частот.

В целом можно сделать вывод, что в мире происходит переход от сетей 2G к сетям 3G и их сближение путем объединения в единую систему подвижной связи. Стимулирующим фактором этого процесса являются различные услуги, реализация которых связана с высокоскоростной передачей данных

Таблица 13.1

Определяющий фактор	Эволюционный подход	Революционный подход
Метод использования частотного ресурса	Работа в старых диа-пазонах	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	Постепенный переход от 2G к 3G по мере поя-вления спроса на услуги	Создание опытных районов с полным набором услуг
Технологический уровень	Новые технологии в отдельных элементах	Все технологии – новейшие
Архитектура сети	Максимальное использование существующей инфраструктуры	Малое использование старой инфраструктуры
Коммерческий риск	Низкий	Высокий
Состав операторов	В основном те же, что и в случае 2G	Операторы, имеющие лицензии на услуги 3G
Глобальный роуминг	С ограничениями	Без ограничений
Капитальные затраты	Распределенные во вре-мени	Одномоментные

В настоящее время системы GSM 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 каналы с меньшей скоростью передачи оцифрованной речи, введения многосекторных антенн или использования спектрально-эффективных методов модуляции (например, многопозиционная PSK).

Стремительный рост вычислительных сетей разного уровня, в частности интернета, появление новых приложений выдвигают в качестве одного из главных требований возможность скоростной передачи данных. Но простой перенос этих приложений из стационарных сетей невозможен. Становятся важными вопросы взаимодействия стационарных сетей и сетей мобильной связи как на физическом, так и на сетевом уровнях. От их решения зависят эффективность и качество предоставляемых услуг конечному пользователю.

В основу стандартов IMT-2000 положена идея создания нового поколения семейства систем подвижной связи, охватывающего технологии беспроводного доступа, наземной сотовой и спутниковой связи. Подход МСЭ в разработке новых стандартов состоит в максимальной унификации соответствующих характеристик систем семейства IMT-2000, в основном, радиоинтерфейса, для расширения возможностей работы оборудования разных технологий радиодоступа и упрощения создания многорежимных абонентских терминалов [28].

В соответствии с проектом долгосрочного (непрерывного) развития (Long-Term Evolution, LTE) системы мобильной связи следующего поколения (IMT-Advanced, 4G-системы) будут основываться на многостанционном доступе с ортогональным частотным разделением (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) с поддержкой технологиии передачи радиосигналов вида «множественный вход - множественный выход» (Multiple Input - Multiple Output, MIMO) и с использованием нескольких передающихи приемных антенн. При этом предполагается осуществить переход от сетей с коммутацией каналов к архитектуре All-IP, т.е. к коммутации пакетов данных без использования традиционной телефонии.

Системы мобильной сотовой связи с частотно-временным разделением каналов