3G - третье поколение

3G

Третье поколение

1. Введение

Еще в 1985 г. была учреждена специальная группа для разработки наземной системы мобильной связи общего пользования - Future Public Land Mobile Telecommunications System (FPLMTS) . Первоначально международный совет по телекоммуникациям (International Telecommunications Union, ITU) надеялся создать единый стандарт универсальной системы подвижной связи, однако по прошествии времени стало ясно, что, несмотря на относительную несложность формулировки основных требований к системе 3G (3-d Generation), весьма непростым вопросом оказалась разработка стратегии достижения этих требований. Образно говоря, если описание места, в которое требуется дойти, было сформулировано довольно точно, то относительно пути достижения этого места и даже направления движения мнения разделились. Совокупность географических, исторических и коммерческих причин привела к тому, что было выдвинуто несколько концепций системы 3G .

Основное требование - разнообразие услуг и функций. Предпосылками стали - освоение диапазона 2000 МГц, разработка эффективных протоколов спутниковых и наземных систем, создание универсальных радиоинтерфейсов. Важным требованием являлась совместимость, поскольку ставилась задача построения глобальной системы мобильной связи. Новая концепция в рамках FPLMTS была принята в 1997 году под названием IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000 Family of Systems или IFS. Согласно ей сеть радиодоступа - Access Network будет взаимодействовать с базовой сетью Core Network.

 Требования к системам 3G наиболее полно сформулированы в рекомендациях IMT-2000 Международным Союзом Электросвязи (МСЭ). Наиболее важные из них:

• Глобальный роуминг
• Сочетание пакетной коммутации данных и коммутации каналов
• Эффективное использование спектра
• Открытая архитектура
• Передача речи, данных и мультимедийные услуги
• Качество речи сопоставимое с проводным
• Защита информации, сопоставимая с ТфОП/ISDN
• Взаимоувязка со спутниковыми системами
• Высокая скорость передачи данных
• Поддержка иерархической структуры сот (HCS);
• Поэтапный подход к повышению скорости передачи данных до 2 Мбит/с.

IMT-2000 является долгосрочной мировой программой разработки систем, реализующих полный набор услуг связи и прежде всего глобальный роуминг. Уже на первой фазе развертывания наземные системы 3-го поколения (2002 - 2005 гг.) должны предоставлять широкий ассортимент услуг, включая услуги мультимедиа со скоростью передачи до 2.048 Мбит/с в микро- и пикосотах, до 384 кбит/с - для пешеходов и до 144 кбит/с - для подвижных абонентов, а спутниковой сегмент - услуги со скоростью 2,4 - 64 (128) кбит/с и возможность интерактивного обмена данными..

Для реализации систем 3G в рамках IMT-2000 разными странами было предложено множество проектов.
Европа в рамках собственной программы разработки систем 3G UMTS представила на рассмотрение стандарты:

• UTRA (W-CDMA - высокоскоростные и мультимедийные услуги связи и TDMA/CDMA - обеспечивающая совместимость с GSM). Этот европейский стандарт , разработанный ETSI во многом совпадает с W-CDMA (ARIB)

• DECT EP - расширенный стандарт микросотовой системы;

• SW-CDMA - для спутниковой связи на базе технологии UTRA/FDD с 2.048 или 4.096 Мбит/с обновлением фрейма.

США предложили несколько стандартов из которых FCC поддержала два:

• UWC-136 на базе TDMA (Nokia, Ericsson)

• cdma2000 являющийся развитием IS95 (3.6884 Мбит/с).

Азия:

• Япония выдвинула свой высокотехнологичный стандарт W-CDMA (ARIB).

• Южная Корея предложила три стандарта:

  • CDMA-I синхронной DS-CDMA на базе 3.6884 Мбит/с;

  • CDMA-II асинхронный DS-CDMA на базе 4.096 Мбит/c и

  • SAT-CDMA для спутниковой связи.

• Китай разработал свой проект TD-SCDMA (Time Division Syncronous CDMA

После рассмотрения всех предложений, ITU установило рекомендации по реализации стандартов наземной и спутниковой радиосвязи третьего поколения IMT-2000.
Спецификации позволяют без потери совместимости оптимизировать производительность большинства беспроводных сетей и предоставляют операторам возможность обеспечить совместимость новых сервисов со стандартом 3G.
Новые стандарты для наземной радиосвязи:

• IMT DS, известный как широкополосный CDMA, или WCDMA.

• IMT MC, известный как cdma2000 и состоящий из двух компонент - 1X и 3X.

• IMT TC, известный как UTRA TDD или TD-SCDMA.

• IMT SC, известный как UWC-136 или EDGE.

• IMTFT, известный как DECT.
  

В итоге, получается 3 возможных стратегии развития технологи:

• Эволюция на базе TDMA (основа большинства систем 2G (GSM, DAMPS, PDC).

• Эволюция на базе CDMA (используется в 2G (IS-95) и 3G (cdma2000, W-CDMA).

• Новые стандарты на базе WCDMA

Рис.1. (а,б) Варианты эволюция к 3G

2. cdmaOne -> cdma2000

 Данный стандарт пришел из США, где одним из основных требований к системам 3G является совместимость с уже развернутыми системами второго поколения. Этот стандарт представляет собой широкополосную версию стандарта cdmaOne (IS-95) и находится в процессе реализации ведущими компаниями связи на Североамериканском рынке. Новая технология будет испытана не позднее 2000 года с последующим внедрением в коммерческую эксплуатацию.

Таблица.1

2.1 Эволюцию стандарта cdmaOne в стандарт cdma2000 .

Компания Nortel Networks планирует решать поэтапно на основе базовой станции нового поколения Metro Cell . Это многочастотная базовая станция высокой емкости, поддерживающая сотовый (800 МГц) и персональный (1900 МГц) диапазоны частот и выполняемая для наружного или внутреннего применения.

1. Первым этапом эволюции к cdma2000 является базовая станция Metro Cell .
2. На втором этапе путем модификации программного обеспечения реализуется стандарт IS-95B . Как известно, IS-95B это, своего рода, GPRS для cdmaOne, т.е. стандарт поколения 2.5G, который обеспечивает скорость передачи данных до 64 кбит/с в режиме коммутируемых линий и 115.2 кбит/с в пакетном режиме в сети CDMA. Стандарт рассчитан на поддержку видеоконференции и предоставление услуг высокоскоростного доступа к интернет. IS-95B обеспечивает ряд дополнительных функций, которых не было в IS-95A, таких, как позиционирование терминалов, АОН с выдачей имени звонящего, возможность назначать приоритеты звонкам. Улучшена функция мягкого хендовера, хэндовера между частотами, управление мощностью терминалов и хэндовера в процессе вызовов. Не исключен и вариант перехода от этапа 1 к этапу 3, минуя этап 2.
3. На третьем этапе базовая станция становится двухрежимной за счет добавления модулей промежуточного стандарта - Accelerated Narrowband cdma2000 (1xHDR — High Speed Data Rate/IS-2000) - ускоренного узкополосного cdma2000. Этот промежуточный стандарт сочетает в себе пакетную коммутацию, одновременную передачу речи и данных, увеличивает емкость в два раза по сравнению с IS-95 при сохранении той же чиповой скорости в 1,2288 Мч/с. При этом возможно предоставление услуг в соответствии с рекомендациями IMT-2000 (при максимальной скорости передачи в 307 кб/с).
4. Четвертым этапом становится многорежимная базовая станция, одновременно поддерживающая стандарты IS-95, 1XRTT и широкополосный cdma2000 (3xHDR/IS-2000-A) с чиповой скоростью 3,6864 Мч/с ( до 2 Мбит/с). Емкость такой базовой станции будет в два раза выше емкости станции Metro Cell при полной совместимости сверху вниз. Разработку спецификации планируется завершить в 2000 г.

3. D-AMPS

Говоря о технологии D-AMPS (или TDMA, как ее называют в Северной Америке), следует заметить, что она уже сегодня удовлетворяет многим существенным требованиям IMT-2000. D-AMPS является единственным стандартом, обеспечивающим двухдиапазонный двухрежимный бесшовный роуминг, который автоматически переключает абонентов с аналоговых на цифровые каналы без прерывания обслуживания. Это единственный основной стандарт, совместимый с 3G ( IМТ-2000) , "обратно совместим" и с TDMA-сетями и оборудованием. Эта "обратная совместимость" гарантирует, что оборудование, которым пользуются миллионы абонентов, не станет в одночасье устаревшим.

Одним из вариантов реализации эволюции может служить следующий.

1. На первом этапе программным путем реализуется стандарт GPRS (General Packet Radio Service), или IS-136+ (без расширения полосы 30 кГц). Это еще один представитель поколения 2,5G, основанный на принципе пакетной коммутации данных. При этом поддерживаются диапазоны 850 и 1900 МГц, и обеспечивается полная совместимость сверху вниз со стандартом IS-136. Улучшается качество речи за счет использования вокодера с увеличенной битовой скоростью для фиксированного и малоподвижного применения; для высокоскоростных применений по-прежнему будет использоваться вокодер EFRC IS-136. Реализовывается новая схема модуляции - 8PSK, для связи базовой станции с опорной сетью используется интерфейс Frame Relay. Достигается скорость передачи 19,2 кб/с на временной слот и 45 кб/с на радиоканал 30 кГц. При необходимости предоставления более высоких скоростей возможно назначение нескольких каналов GPRS. Заметим, что сетевой протокол GPRS является общим для стандартов IS-136 и GSM и может служить основой конвергенции этих стандартов (так же как и стандарт EDGE).

2. Вторым этапом на описываемом эволюционном пути станет переход к стандарту EDGE (Enhanced Data Rate for Global Evolution), соответствующему рекомендациям IMT-2000 (с сохранением совместимости со стандартом GPRS). Стандарт EDGE представляет собой широкополосную версию GPRS, совместимую с IS-136. Разработка стандарта EDGE ведется Всемирным Консорциумом по Беспроводной Связи UWCC (Universal Wireless Communications Consortium). На данном этапе используется несущая 200 кГц и обеспечивается скорость передачи до 384 кб/с.
3. Переход к третьему этапу, - стандарту IS-136HS (от High Speed - высокая скорость), или Double EDGE (двойной EDGE). Это вариант предоставления по требованию несущих разной ширины: 1) IS-136 HS (Outdoor/Vehicular) - 200 кГц (EDGE) для мобильного применения (144 кб/с для транспортных средств и 384 кб/с для пешеходов) и 2) IS-136 HS (Indoor/office) - 1,6 МГц (WB EDGE, или широкополосный EDGE) для фиксированного применения (2 Мб/с).

Таблица 2. Сравнительные характеристики трех версий проекта стандарта UWC-136 RTT

Название проекта	IS-136+	IS-136 HS (Outdoor/Vehicular)	IS-136 HS (Indoor)
Минимальная полоса, требуемая для развертывания системы	90 кГц х 2	600 кГц	1,6 МГц –TDD
Метод доступа/дуплексирования	TDMA/FDD	TDMA/FDD	TDMA/FDD, TDMA/TDD
Канальный разнос, кГц	30	200	1600
Модуляция	8PSK	QAM	QAM
Cкорость передачи, кбит/с	28,8	до 65,2
Cкорость передачи в радиоканале	48,6 кбит/с	722,2 кбит/с	5,2 Мбит/с
Длина кадра	40 мс (2832 бит, 8PSK)	» 4,6 мс	4,615 мс
Число интервалов на кадр	6	8 по 576,92 мкс	16 по 288 мкс
Мощность мобильной станции, дБм	36 - класс 1	29,6 (QOQAM)	28 (0,6 Вт)
Шаг управления мощностью, дБ	4	4	0,5-4,0

4. GSM

Стандартная скорость передачи данных в сетях GSM составляет 9600 бит/с . Путем сокращения сигнализации и усеченного корректирования ошибок, а также сокращения заголовка (overhead) высвобождаются ресурсы, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью 14.4 кБит/с. Однако переход к 3G на базе передовых технологий обещает GSM более высокие скорости.

Ожидается, что TDMA в рамках GSM будет прогрессировать так

1. HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) - коммутируемый канал и 64 кбит/с .

2. GPRS (General Packet Radio Service) - пакетный режим и до 128 кбит/с в три этапа до 2002 года.

3. EDGE (Enchanced Data Rates for GSM Evolution) - в два-три раза более высокая спектральная эффективность чем у GPRS за счет использования в полосе GSM модуляции 8PSK .

Основное различие между первыми двумя подходами в том, что HSCSD работает как обычная голосовая связь, где длительность звонка — это время, пока один из собеседников не положил трубку. Эта технология увеличивает скорость передачи данных в сотовых сетях всего в несколько раз, зато доступна она прямо сейчас. Так как сети GSM относятся к классу сетей с временным разделением каналов, то скорость обмена в HSCSD прямо пропорциональна количеству слотов, отведенных под данные. Таким образом, при использовании одного временного слота с данными, сжатых посредством HSCSD, обеспечивается скорость 14.4 кбит/с (при удовлетворительном качестве эфира). А при использовании 4-х слотов достигается максимальная скорость в 57,6 кбит/с. В настоящее время уже на скорости в 28,8 кбит/с (2 слота) можно обмениваться видео и аудио информацией. Применение HSCSD на существующих сетях GSM не несет никакой аппаратной модернизации, за исключением абонентского оборудования. На базовых станциях и узлах коммутации меняется только программное обеспечение. Для поддержки протокола HSCSD у пользователя выпущены аппараты: Nokia 6210, Siemens S40 и Siemens S42. Последние 2 аппарата работают в 3-х диапазонах: 900МГц, 1800МГц и 1900МГц.

GPRS, напротив, соединяет абонента с Сетью лишь в тот момент, когда готов пакет данных для передачи, и позволяет работать с Интернетом на скорости (теоретически) до 172,2 Кбит/сек. Полностью действующий GPRS будет доступен к концу 2000 года. Возможны проблемы в действующей сети GSM, так как ее ресурсы не безграничны. Использование «пакетного» способа передачи данных дополнительно нагружает сеть, создавая "заторы" для обычных голосовых сообщений. Таким образом, передавая данные на максимальной скорости, абонент займет всю емкость приемопередатчика, что, естественно, потребует от провайдера дополнительных сетевых ресурсов. Время установки соединения в GPRS будет почти мгновенным, поэтому планируется, что абонент более не будет оплачивать "время на линии", в счет будут включаться объемы переданной или полученной информации. Это означает, что GPRS будет максимально привлекательной технологией для всевозможных приложений, характеризующихся "взрывным" характером передачи данных, таким как e-mail, телеметрия и т.п. услуг.

Основные свойства GPRS:

• Высокая скорость передачи данных - (средняя 111 кбит/с)
• Быстрое установление связи / Быстрый разрыв соединения
• Способствование внедрению новых услуг
• Поддерживание других сетей пакетной передачи данных (TCP/IP, X.25)
• Абоненты совместно используют физические ресурсы сети
• Обеспечивает мобильность абонентов, с сохранением доступа к сетям GSM/GPRS, Интернет и корпоративным сетям
• Возможность использовать ресурсы сети GSM в офф-пиковые периоды.
• Возможность конвергенции с D-AMPS.

Аппаратно, система GPRS будет реализована путем простого добавления трёх новых узлов пакетной обработки данных и модернизации существующих, для обеспечения маршрутизации пакетов данных от мобильного терминала до шлюзового узла:

• SGSN (Serving GPRS Support Node )- узел обеспечения GPRS: выполняет функции маршрутизации пакетов, их шифрование.
• GGSN (Gateway GPRS Support Node)-узел поддержки шлюза GPRS: шлюз во внешние сети ISP.
• PTM-SC (Point-to-Multipoint Service Center)-центр обеспечения мультивещания

Принципиальные затруднения вызывает только обеспечение мультивещания, так как в данный момент, на базе существующей системы передачи данных в сетях GSM по коммутируемому каналу, ее нельзя осуществить. Модернизацию должны претерпеть контроллер базовых станций и сами базовые станции. Контроллер базовых станций BSC должен будет обладать новыми функциональными возможностями управления каналами пакетной передачи данных, должен будет включать в себя новое аппаратное обеспечение в виде блока управления пакетной передачей (Packet Control Unit – PCU) и новое программное обеспечение для управления мобильными абонентами GPRS и определением их местонахождения. Контроллер BSC также должен иметь новый интерфейс трафика и сигнализации с SGSN. Базовым станциям BTS необходимы новые протоколы, поддерживающие пакетную передачу данных по радиоканалу и новые функциональные возможности распределения слотовых и канальных ресурсов. Использование сетевых ресурсов будет оптимизировано благодаря динамическому распределению ресурсов между двумя типами трафика, обрабатываемого контроллером BSC.

В настоящее время производители предполагают производить три класса GPRS-терминалов:

• модели А-класса работают в одном из двух режимов - on-line или "стандартном". По окончании сеанса on-line, пользователь получает уведомление о поступивших за время сеанса входящих звонках и сообщениях, оставленных в речевом почтовом ящике;
• GRPS-терминал B-класса оперативно реагирует на входящий звонок и позволяет без потери данных приостановить сеанс on-line для работы в "стандартном" (телефонном) режиме;
• модели С-класса поддерживают одновременную работу в "стандартном" режиме и on-line.

Одна из них – Motorola Timeport P7389i, работающая в стандарте GSM-900/1800.

EDGE - был недавно сертифицирован ETSI — Европейским институтом телекоммуникационных стандартов. Это последняя на сегодняшний день ступень эволюции в рамках GSM. Мобильная связь с помощью этой технологии позволяет передавать данные на скорости (теоретически) до 473 Кбит/сек, используя существующую инфраструктуру GSM. В сущности, это та же скорость, которой будет возможно достичь на первом этапе развития 3G. EDGE может стать серьезной альтернативой как для тех операторов, которые не получили лицензии на связь 3G, так и для тех, кто по каким-либо техническим возможностям не готов к немедленному строительству сетей третьего поколения. Однако существует он пока что только на бумаге. Именно этот стандарт Европа считает платформой, которая обеспечит плавный переход от GSM к 3-му поколению мобильных систем.

5. UMTS

Кроме рассмотренного выше варианта конвергенции стандартов D-AMPS (IS-136) и GSM, существует и вариант конвергенции стандартов cdmaOne (IS-95) и GSM. Этот вариант предложен Форумом Универсальной Мобильной Системы Связи UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) и основывается на составном радиоинтерфейсе UTRA : на спаренных полосах частот используется частотный дуплекс - технология FDD (W-CDMA) (для передачи речи и мобильной передачи данных на скоростях до 384 кб/с). На неспаренных полосах частот используется временной дуплекс (TDD) и технология кодо-временного разделения (TD-CDMA) для асимметричной передачи данных на скоростях до 2 Мб/с в фиксированных приложениях. Для UMTS выделены две полосы частот: 1885-2025 МГц и 2110-2200 МГц . В качестве опорной сети будет использоваться сеть GSM, что определяет легкость совместимости такой системы с сетью GSM. А поскольку в UMTS используется и принцип кодового разделения каналов, возможно и подключение базовых станций стандартов cdmaOne/cdma2000.

Вообще, технология W-CDMA является альтернативой стандарту cdma2000 и его прямым конкурентом . Основным отличием этих двух стандартов является чиповая скорость: 4,096 Мч/с в WCDMA и 3,6864 Мч/с в cdma2000. Поскольку 3,6864 представляет собой утроенную чиповую скорость стандарта cdmaOne (3 х 1,2288), то cdma2000 может быть эволюционно внедрен на сетях стандарта cdmaOne (IS-95), в то время как WCDMA несовместим с IS-95. Ожидаемый выигрыш при передаче речи в системе на базе W-CDMA будет как минимум в 2 раза выше, чем в системах, построенных на базе технологий IS-95 и GSM. .

5.1 UTRA

 Составной радиоинтерфейс UTRA (UMTS terrestrial radio access - доступ через наземную радиосвязь) , как уже упоминалось, поддерживает два рабочих режима: режим с разделением частоты(FDD) дуплексный и режим с разделением по времени (TDD).

1. Технология FDD (также известная как W-СDMA) будет использоваться в районах с большим количеством абонентов для реализации широкополосных услуг передачи голоса и данных, например, видеоконференции при скорости передачи данных до 384 кбит/сек. В ней используются метод статистического уплотнения каналов, когда радиоканал занимается только на время активной передачи, а также динамическое распределение каналов, позволяющее адаптировать трафик к реальной помеховой обстановке. Принципиальной особенностью W-CDMA является простота реализации асимметричной передачи в линии "вниз/вверх". Благодаря широкой полосе спектра несущей в одной полосе можно образовать несколько подканалов (низкоскоростных и высокоскоростных) с разной скоростью передачи, что дает возможность выделения подканалов, соответствующих по скорости/качеству предоставляемой услуге. Например, низкоскоростные услуги (голосовая связь, факсимильная передача) могут быть реализованы в одной и той же полосе частот, что и высокоскоростные услуги (видеосвязь, доступ к Internet). Линия восходящей связи приспосабливает различные потоки информации к разветвлениям каналов с фазовым сдвигом и совпадающим по фазе. Это означает, что каналу восходящей связи соответствует: уникальная частота несущей, расширяющий код и соответствующая фаза (0 или Pi/2 радиан). Вся 10-мс фреймовая структура находится под определенным расширяющим кодом. Каждая 10-мс структура разделена на 16 слотов, продолжительностью 625 мкс. Каждый слот соответствует определенному периоду энергетического контроля (на каждую секунду приходится 1600 операции регулирования энергии). Фреймовая структура линий нисходящей связи в дуплексном режиме с разделением частоты идентична аналогичной структуре линий восходящей связи, в которой пользовательская и техническая информация уплотняется по времени вокруг 625 микросекундных слотов. Расширяющий код в направлениях обоих линий связи обладает рассеивающим фактором, который варьируется от 4 до 256, при этом сам фактор обратно пропорционален необходимому диапазону пропускной способности.

2. Технология TDD (TD-CDMA или TDD UTRA) будет использоваться в районах с высоким уровнем трафика – особенно для предоставления услуг передачи данных нового поколения, которые обусловят повышение спроса на асимметричную передачу данных со скоростью до 2 Мбит/сек. Типовые услуги асимметричной передачи данных – это услуги, требующие высоких скоростей передачи по направлению "вниз" (от сети к подвижной станции), а также услуги с низкими скоростями передачи по направлению "вверх" (от подвижной станции к сети). Классический вариант - использование Интернет. Дуплексный режим  TDD имеет 10-мс фреймовую структуру, состоящую из 16 слотов, длительностью 625 мкс каждый. В пределах 10-мс фреймовой структуры для обеспечения режима совместной работы асимметричных линий нисходящей и восходящей связи могут быть установлены точки многократного коммутирования. Каждый из 625-мкс слотов помечен собственным уникальным кодом.

С помощью системы UTRA квадратурная фазовая модуляция (QPSK - quadrature phase-shift keying) заменила GSM гауссовскую манипуляцию с минимальным частотным сдвигом (GMSK - gaussian minimum shift keying). Благодаря UTRA системы UMTS поддерживают приложения, обеспечивающие плавный переход в любые условия окружения: от эксплуатации внутри помещений до обеспечения глобальной мобильности