МОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ (3G)

Общая характеристика стандартов мобильных систем связи третьего поколения

Современный этап развития телекоммуникаций характеризуется не только беспрерывным увеличением числа пользователей, но и возрастающими требованиями к спектру услуг связи. В это время выросшая необходимость в обеспечении высокоскоростного информационного обмена между абонентами без ограничения свободы их перемещения, обеспечении передачи информации любого формата: обычные телефонные разговоры, компьютерные файлы, факсимильные, мультимедийные и аудиовизуальные сообщения, Internet-пакеты, электронная почта и др. Запрос количественного и качественного уровня услуг абонентами, невозможно обеспечить без значительного повышения скорости передачи с одновременным повышением спектральной эффективности систем мобильной связи.

Мобильные системы первых двух поколений уже не способны в полной мере удовлетворить эти требования. Выделенные полосы частот мобильным системам связи оказываются уже недостаточными для обслуживания реального количества абонентов, несмотря на многоразовое повторное использование частот на базовых станциях, отдаленных одна от одной на защитные расстояния. Повышение абонентской емкости путем уменьшения радиуса действия ячеек до 0,1...0,3 км, построение сети на основе малоразмерных кластеров, переход к динамическому распределению каналов, полускоростному режиму передачи приводит к увеличению числа базовых станций, усложняет управление сетью, снижает такие качественные показатели сети, как вероятность и надежность.

Отмеченные трудности увеличиваются большим количеством стандартов и их несовместимостью. Существование большого числа разъединенных мобильных сетей на фоне тенденции к экономической интеграции требовали создания единого стандарта, способного обеспечить абонентам свободу перемещения и сохранение обслуживания в любой сети независимо от места ее развертывания. Основное требование - разнообразие услуг и функций. Предпосылками стали - освоение диапазона 2000 МГц, разработка эффективных протоколов наземных и спутниковых систем, создание универсальных интерфейсов. Важным требованием была совместимость, поскольку ставилась задача построения глобальной системы мобильной связи.

По предложению ITU-R (МСЭ) с 1985 г. были начаты обсуждения проекта создания наземной системы мобильной связи общего пользования будущего (FPLMTS). Новая концепция в рамках FPLMTS была принята в 1997 г. по названию IMT-2000 (International Mobile Telephone). Проект IMT-2000 - это долгосрочная программа разработки, стандартизации и содействие внедрению национальных, региональных и международных телекоммуникационных систем, которые реализуют полный набор услуг в интересах наземной и спутниковой мобильной связи.

Обозначением 3G принято обозначать следующее поколение мобильных систем и их возможностей (повышенная емкость и функциональность, которая обозначает новейшие услуги и приложения, которые включают мультимедиа). Системы третьего поколения (3G) отличаются от систем второго поколения (2G), таких как, например, GSM, и переходного поколения (2,5G), таких как, например, GPRS, EDGE - намного большей скоростью передачи данных, а также более широким и более высоким качеством предоставления услуг. Эти системы обеспечивают симметричную и асимметрическую передачу данных, поддержку канальной и пакетной коммутации для обеспечения таких сервисов как Internet Protocol (IP) и Real Time Video, высокую эффективность использования спектра частот, возможность глобального роуминга. В числе наиболее важных требований IMT-2000 обозначают:

-глобальный роуминг;

-соединение канальной коммутации данных и коммутации пакетов;

-эффективное использование спектра;

-передача речи, данных и мультимедийных услуг;

-качество речи, сопоставимое из проводными сетями;

-высокая скорость передачи данных;

-поэтапное повышение скорости передачи данных до 2 Мбит/с;

-высокая степень защиты информации;

-взаимосвязь со спутниковыми системами.

Уже на первых этапах развития системы 3-го поколения должны обеспечивать определенные значения скорости передачи для разных степеней мобильности абонента (т.е. разных скоростей его движения) в зависимости от величины зоны покрытия:

-до 2048 кбит/с в микро- и пикосотах;

-до 348 кбит/с - для пешеходов;

-до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;

-до 64 кбит/с при глобальном роуминге (спутниковая связь).

Сначала в рамках IMT-2000 планировалось создание единого стандарта универсальной системы мобильной связи, однако, со временем совокупность географических, исторических и коммерческих причин привела к тому, что было выдвинуто несколько концепций системы 3G. Тем более, что в настоящее время создания мобильной станции, которая работает в нескольких стандартах, не является проблемой.

К настоящему времени для реализации систем 3G предложено несколько проектов.

На выбор радиоинтерфейса для систем IMT-2000 значительное влияние сделали успехи систем второго поколения стандарта GSM в европейском регионе и стандартов IS-136 и IS-95 в североамериканском регионе.

В рамках собственной программы разработки систем 3G в Европе приняты стандарты:

- UTRA (W-CDMA - высокоскоростные и мультимедийные услуги связи и совместимость, которая обеспечивает CDMA, 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.

В США разработаны собственные стандарты для систем мобильной связи:

- UWC-136 (Universal Wireless Communications - универсальная беспроводная сеть), что использует TDMA и имеет в своей основе стандарт IS-136 (D-AMPS);

- cdma-2000, что является развитием стандарта IS-95. В стандарте cdma-2000 предусмотрено использование в прямом канале (передача от БС до АС) режима с несколькими несущими. В канале с шириной полосы частот 5 МГц размещаются три несущие. Сигнал, переданный на каждой из несущих, по своим параметрам отвечает требованиями стандарта IS-95.

Япония выдвинула свой высокотехнологический 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/с;

- SAT-CDMA - для спутниковой связи.

Китай разработал свой проект TD-SCDMA (Time Division Synchronous CDMA).

Общая архитектура систем 3-го поколения (рис.1) содержит в себе две части: сети радиодоступа (стандарты радиоинтерфейса) и базовые сети.

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 сетями должен осуществляться через межсетевой интерфейс NNI. Для реализации глобального роуминга необходимы многорежимные терминалы, а сети должны содержать конверторы или межсетевые шлюзы.

Рисунок 1- Архитектура систем мобильной связи 3-го поколения

На данный момент в состав семейства сетей радиодоступа входят пять стандартов:

-IMT DS, известный как широкополосный CDMA, или WCDMA (UTRA FDD);

-IMT TC, известный как UTRA TDD или TD-SCDMA;

-IMT MC, известный как cdma-2000;

-IMT SC, известный как UWC-136 или EDGE;

-IMT FT, известный как DECT.

Три с пяти стандартов (IMT-DS, IMT-TC, IMT-MC) основаны на технологии CDMA, а два (IMT-SC, IMT-FT) - на технологии TDMA.

Соответственно концепции IMT-2000 в системах 3-го поколения предполагается использовать два метода дуплексного разноса: FDD для применения в парных полосах частот и TDD - в непарных. В режиме FDD как базовый вариант избран метод радиодоступа WCDMA, а в режиме TDD - метод TD-CDMA (предложение UTRA TDD). При чиповой скорости 3,84 Мбит/с (базовая скорость) минимально необходимая полоса для работы системы 3-го поколения равняется 2х5 МГц (FDD) и 5 МГц (TDD).

Технические характеристики радио-интерфейсов IMT-2000 представлены в табл.1.

Таблица 1 - Характеристики радиоинтерфейсов IMT-2000

Характеристики радиоинтерфейсов	Радиоинтерфейсы
	IMT-DS	IMT-TC	IMT-MC	IMT-SC	IMT-FT
Базовая технология	UTRA FDD, WCDMA	UTRA TDD	cdma-2000	UWC-136	DECT-ЭР
Метод доступа	DS-CDMA	TDMA/CDMA	MC-CDMA	TDMA	MC-TDMA
Дуплексный разнос	FDD	TDD	FDD	FDD	FDD/-TDD
Чиповая скорость, Мбит/с	3,84	3,84/1,288	3,6864	-	-
Скорость передачи,кбит/с.	-	-	-	384; 2048	1152;2304;3456
Вид модуляции	QPSK/BPSK	QPSK/BPSK HPSK	Q PSK/ ВРSК	QPSK; 8PSK (136+); BOQAM; QOQAM	GFSK; -DPSK; -DQPSК; -D8PSK
Длина кадра, мс	10	10	5 или20	4,6	10
Глубина перемеживания, мс	10/20/40/80	10/20/40/80\10-130	3/20	0/20/40/140/240	без перемеживания
Число слотов на кадр	15	15	нет	6/8/16/64	12/24/48
Длина суперкадра, мс	720	720\720	нет	720/640	160

Рассмотрим их общую характеристику.

Радиоинтерфейс IMT-DS (IMT-2000 DS) созданный на базе проектов WCDMA (UTRA FDD) с прямым расширением спектра (DS-CDMA) и частотным дуплексным разносом (FDD) для применения в парных полосах частот (объединенное предложение UTRA-FDD и W-CDMA). Близкими по принципам построения и параметрами к радиоинтерфейсу IMT-DS относятся стандарты WIMS, WCDMA NA (США), WCDMA (Япония) и CDMA II (Ю.Корея).

Радиоинтерфейс IMT-TC (IMT-2000 TC) представляет собой стандарт как комбинированную систему с многостанционным доступом TDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (TDD) для применения в непарных полосах частот (объединенное предложение UTRA TDD и TD-SCDMA). TD-SCDMA - китайский проект системы 3-го поколения, разработанный на основе многостанционного доступа с синхронным кодовым делением каналов.

Радиоинтерфейс IMT-MC созданный на основе стандартов cdma-2000 (США) и CDMA-I (Ю.Корея), что предусматривают эволюционный переход от существующего стандарта cdma- Ona (IS-95) и его модификаций к широкополосной многочастотной CDMA системе. Модулированные символы уплотняются на нескольких несущих с шириной спектра 1,25 МГц на каждой из них. Базовая полоса частот 3,75 (3х1,25) МГц, а чиповая - 3,6864 (3х1,2288) МГц/с. Таким образом, в системах стандарта IMT-MC используется комбинированный доступ с частотно-кодовым распределением каналов, при котором высокоскоростной поток данных разбивается на несколько потоков со сниженной скоростью, каждый из которых передается на своей несущей с кодовым распределением каналов (с прямым расширением спектра).

Радиоинтерфейс IMT-SC созданный на базе стандарта IS-136 (D-AMPS) и предусматривает его эволюционное развитие. Предусмотрено три этапа развития этого стандарта:

-IS-136+ (GPRS) - без расширения полосы частот канала 30 кГц;

-IS-136 HS O/V - с шириной полосы частот канала 200 кГц;

-IS-136 HSI - с шириной полосы канала 1600 кГц.

Использование полосы частот 200 кГц в соединении с многоуровневой модуляцией (8PSK) разрешает обеспечить передачу со скоростями 144 и 384 кбит/с, а использование полосы 1600 кГц - передачу со скоростью до 2 Мбит/с.

Радиоинтерфейс IMT-FT (IMT-2000 Frequency Time) – это новая аббревиатура системы радиодоступа DECT-EP. Стандарт DECT (цифровая усовершенствованная беспроводная сеть) одобренный ETSI в 1995 г. Стандарт DECT описывает технологию организации микросотовых сетей для зон с высокой плотностью абонентов (порядка 100 тыс. абонентов/км²). Одна из важных преимуществ стандарта – он не требует частотного планирования. Выбор рабочей частоты проходит в процессе регулярного сканирования всех доступных частот, при этом свободные рабочие каналы выбираются в динамическом режиме. В стандарте IMT-FT в микросотовой системе DECT предусмотрено использование комбинированного частотно-временного дуплексного разноса как в парных, так и в непарных полосах частот. В варианте IMT-FT предложены три градации скоростей передачи: 1,152; 2,034 и 3,456 Мбит/с. Такая возможность реализуется за счет использования методов модуляции -DPSK; -DQPSK и -D8PSK.

Европейские операторы и производители оборудования для систем мобильной связи стремятся обеспечить плавный переход от систем 2-го поколения к системам 3-го поколения путем эволюции систем GSM. В этом случае выбор радиоинтерфейса сводится к выбору полосы радиочастот, методов модуляции, помехоустойчивого кодирования, типов каналов, структуры кадров, протоколов доступа, алгоритмов управления. Работы в этом направлении сосредоточены в Европейском институте стандартизации в области телекоммуникаций (ETSI).

Рассмотрим эволюцию систем с технологиями TDMA и CDMA.

2 Эволюция систем с технологией tdma

В процессе эволюции технологии радиоинтерфейсов систем 1G/2G претерпели существенных изменений. Стратегия перехода к системам 3-го поколения на базе технологии TDMA представлена на рис.2.

Рисунок 2- Стратегия перехода к 3-систем го поколение на базе TDMA

Проектами перехода систем 3-го поколения на базе TDMA являются американский UWC-136 (IMT-SC) и европейский проект EP DECT (IMT-FT)

Проект UWC-136 предусматривает переход к системам TDMA 3-го поколения путем эволюции стандарта IS-136 (D-AMPS).

Стандарт D-AMPS (IS-136) уже сегодня удовлетворяет многим важным требованиям IMT-2000. D-AMPS является единым стандартом, который обеспечивает дворежимний “бесшовный” роуминг, который автоматически перемыкает абонентов из аналоговых каналов на цифровые без прерывания обслуживания.

Возможные следующие этапы развития этого стандарта на пути до 3G (три версии проекта стандарта UWC-136RTT):

-IS-136+GPRS без расширения полосы частот канала 30 кГц;

- IS-136 HS o/v - с шириной полосы частот канала 200 кГц;

- IS-136 HIS с шириной полосы канала 1600 кГц.

Проект UWC-136 предусматривает возможность реализации радиоинтерфейсов в широком диапазоне частот - от 450 МГц до 2,5 ГГц. Типы частот указанных стандартов UWC-136 приведены на рис.3.

Рисунок 3 - Типы частот стандарта UWC-136

Во всех вариантах UWC-136 предусмотрено использование спектрально эффективных технологий, которые различаются как по ширине полосы канала, так и за использованным видом модуляции ( , разные варианты QAM).

Использование полосы 200 кГц в сочетании с многоуровневой модуляцией (8PSK) разрешает обеспечить передачу со скоростью 144 и 384 кбит/с, а использование полосы 1600 кГц - передачу со скоростью до 2 Мбит/с.

Благодаря использованию трех типов каналов с полосой 30, 200 и 1600 кГц возможно наращивание возможностей существующих сетей TDMA/AMPS с учетом возрастающих требований в среде услуг.

На первом этапе без расширения полосы канала 30 кГц программным способом реализуется стандарт GPRS (IS-136+), основанный на принципе коммутации данных. При этом поддерживаются диапазоны 850 и 1900 МГц, используется метод модуляции 8PSK. Обеспечивается скорость передачи 19,2 кбит/с на временной слот и 45 кбит/с на радиоканал 30 кГц. Возможное увеличение скорости передачи путем использования нескольких каналов GPRS.

На втором этапе осуществляется переход к стандарту EDGE, что отвечает рекомендациям IMT-2000 и соединенный со стандартом GPRS. Стандарт EDGE представляет собой широкополосную версию GPRS, совместную с IS-136. При использовании полосы 200 кГц обеспечивается скорость передачи до 384 кбит/с.

На третьем этапе осуществляется переход к стандарту IS-136 HS (от High Speed - высокая скорость), или Double EDGE (двойной EDGE). При использовании полосы 200 кГц (EDGE) обеспечивается скорость передачи 144 кбит/с для транспортных средств и 384 кбит/с - для пешеходов, а при использовании несущей шириной 1,6 МГц (широкополосный EDGE) обеспечивается скорость передачи до 2 Мбит/с. Сравнительные характеристики трех версий проекта стандарта UWC-136 RTT приведенные в таблицы 2.

Таблица 2 - Основные характеристики трех версий стандарта UWC-136RTT

Наименование характеристики	Наименование проекта
	IS-136+	IS-136 HS (Outdoor/Vehicular)	IS-136 HS (Indoor)
Минимальная полоса, необходимая для развертывания системы	90кГцх2 (1сота, 3-х секторная антенна)	3х200=600 кГц	2х1600 кГц FDD 1600 кГцTDD
Метод доступа/дуплексирования	TDMA/FDD	TDMA/FDD	TDMA/FDD, TDMA/TDD
Канальный разнос, кгц	30	200	1600
Модуляция	-DQPSК (136); QPSK (136+); 8PSK (136+)	QOQA M BOQAM GMSK	QOQA M BOQAM
Скорость передачи, кбіт/с	28,8	до 65,2
Скорость передачи в радиоканале	48,6 кбит/с	722,2 кбит/с (QOQAM) 381,1 кбит/с (BOQAM) 270,8 кбит/с (GMSK)	5,2 M бит/с (QOQAM) 2,6 M бит/с (BOQAM)
Длина кадра, мс	40 (1944бит, QPSK 40 (2832 бит, 8PSK)	4,615	4,615
Количество интервалов на кадр	6 по 6,67мс	8 по 576,92 мкс	64 по 72 мкс 16 по 288 мкс

При разработке и внедрении в действие стандарта GSM считалось, что его возможностей будет довольно на долгосрочную перспективу. Однако к настоящему времени возможности стандарта GSM не в полной мере удовлетворяют возрастающим требованиям в сфере телекоммуникационных услуг.

Виды модуляции, которые используются:

QOQAM - квадратурная АМ с четверичным смещением;

BOQAM - квадратурная АМ с двоичным смещением;

GMSK - гауссова модуляция с минимальным частотным сдвигом

В частности, современные сети передачи данных GSM имеют низкую скорость передачи данных - до 9,6 кбит/с. Эта скорость достаточная для организации работы электронной почты и передачи коротких сообщений (служба SMS) длиной 160 символов. Маршрутизация данных в системе GSM осуществляется путем коммутации каналов. В этих условиях обеспечить требования IMT-2000 невозможно.

С целью повышения возможностей стандарта GSM в направлении IMT-2000 наметилось несколько направлений развития:

- интеграция с другими сетями радиодоступа (DECT и узлом доступа к Internet);

- внедрение новых технических решений, которые обеспечивают высокоскоростную передачу данных с коммутацией пакетов и взаимодействие с сетями ТфСОП, ATM и ISDN.

- создание интегрированных сетей GSM-900/1800 и в перспективе GSM-400.

Модернизованные сети GSM будут предоставлять услуги системам 3-го поколения и иметь потенциально большую абонентскую базу.

К настоящему времени усовершенствования сетей на базе стандарта GSM идет путем использования разных систем и технологий:

- использование технологии высокоскоростной передачи данных с коммутацией каналов HSCSD (High Speed Ciruit Switched Data) со скоростью передачи 64 кбит/с;

- использование технологии пакетной радиопередачи GPRS (General Packet Radio Service), что обеспечивает скорость передачи до 128 кбит/с;

- EDGE - обеспечивает повышение скорости передачи за счет использования модуляции 8PSK, что в свою очередь обеспечивает спектральную эффективность в два-три раза высшую, чем в GPRS,

- внедрение системы GSM-400 для связи в сельских и малонаселенных районах.

EDGE - последний этап развития стандарта GSM.

Системы стандарта EDGE смогут обеспечивать передачу со скоростями (теоретически) до 473 кбит/с, используя инфраструктуру стандарта GSM.

Скорость передачи данных сетей GSM , что используют технологию HSCSD, равняется 19,2 кбит/с (два временных интервала по 9,6 кбит/с) или 28,8 кбит/с (2х14,4 кбит/с). Внедрение HSCSD требует в основном модификации программных средств, при этом инфраструктура действующей сети GSM остается неизменной. Планируется дальнейшее увеличение скорости передачи за счет объединения 4-х временных канальных интервалов к величине 38,4 (4х9,6) кбит/с или 57,6 (4х14,4) кбит/с. Технология HSCSD поддерживает трафик сетей с коммутацией каналов, которые есть ее недостатком.

Важным шагом на пути эволюции сетей GSM к UMTS есть внедрения передачи данных от абонента до абонента в пакетном режиме по IP протоколу с повышением скорости передачи до 115,2 кбит/с. Модернизованные сети GSM (GPRS) способны предоставлять пользователям услуги 3-го поколения. Терминалы сети GPRS способны поддерживать режим многоканальной (многослотовой) работы, обеспечивая при этом максимальную скорость передачи на канальный интервал 21,4 кбит/с. Каждому абоненту может выделяться от 1 до 8 канальных интервалов (слотов).

Радиоинтерфейс EDGE, созданный на основе стандарта GSM, обеспечивает плавный переход к 3-му поколению, разрешая увеличить скорость передачи до 384 кбит/с на несущую. В процессе дальнейшего развития планируется повысить скорость передачи до 2048 кбит/с. Радиоинтерфейс EDGE надстраивается над существующей схемой радиодоступа GSM и не требует создания новых сетевых элементов. Одним из важных преимуществ EDGE есть использования спектрально эффективной модуляции - 8-позиционной фазовой модуляции (8PSK).

Радиоинтерфейс стандарта EDGE обеспечивает автоматическое распознавание типа модуляции, которая используется в радиолинии, и следующий переход в необходимый режим.

В существующих программах модернизации аналогового стандарта NMT-450 в цифровой рассматриваются три варианта:

-GSM-400 (более раннее название GSM-450), основанный на технологии GSM-900/1800;

-CDMA-450, основанный на технологических решениях IS-95B и cdma-2000;

-D-NMT, что представляет собой комбинацию систем GSM и TETRA.

Одна из преимуществ варианта GSM-400 - использование существующей инфраструктуры сетей GSM и возможность организации глобального роуминга. Диапазон 450 МГц обеспечивает покрытие больших территорий . Дальность связи для GSM-400 практически вдвое больше, чем в GSM-900, что особенно важно для организации связи в сельской (в значительной степени открытой) местности.