Бабков Валерий Юрьевич

• Основные характеристики и тенденции развития систем связи с подвижными объектами 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

• 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.

• 5 Основные характеристики и тенденции развития систем связи с подвижными объектами Для того, чтобы гармонизировать стандарты, в МСЭ была принята концепция построения системы подвижной связи на основе семейства международных мобильных средств телекоммуникаций 2000 (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 философию 3G, 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

• 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.

• 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 передающих и 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.

• Стандарт GSM был разработан в 80-е годы под эгидой Европейского института стандартов по телекоммуникациям (ETSI) и принят в 1989г. как первый единый общеевропейский стандарт цифровой сотовой связи. С 1992г. началось развертывание сетей GSM в Европе, а с 1994г. – в России.

• С технической точки зрения система GSM-900/1800 является двухдиапазонной цифровой системой подвижной радиосвязи с частотно-временным разделением каналов и частотным дуплексом [4, 8].

• Для GSM-900 выделено 124 дуплексных частотных канала в диапазонах 890...915 МГц (передача MS→BTS) и 935...960 МГц (передача BTS→MS), а для GSM-1800 – 374 частотных канала в диапазонах 1710...1785 МГц (передача MS→BTS) и 1805...1880 МГц (передача BTS→MS). Каждый канал имеет полосу 0,2 МГц. В одном частотном канале можно разместить 8 пользовательских полноскоростных каналов – по одному в каждом временном интервале.

• Системы GSM-900 и GSM-1800 имеют одинаковые протоколы связи и технические решения. Система GSM-900 предназначена для развертывания макросотовой сети и обслуживания быстро перемещающихся абонентов, а GSM-1800 – для развертывания микросотовой сети с радиусами сот от 100 м до 3 км и обслуживания лишь медленно перемещающихся абонентов. Уменьшение размера сот приводит к соответствующему увеличению емкости системы GSM-1800 по сравнению с GSM-900. При этом оптимальным является такое построение совмещенной сети GSM-900/1800, при котором GSM-900 покрывает всю территорию обслуживания, а GSM-1800 накладывается лишь в районах повышенного трафика. Причем в районах повышенного трафика BTS системы GSM-900/1800 могут обслуживать одну и ту же территорию и управляются общим BSC.

• Технология общей службы передачи данных по радиоканалу (General Packet Radio Servise, GPRS) реализует и поддерживает протокол пакетной передачи информации в рамках сети сотовой связи GSM. Суть услуги заключается в организации постоянного подключения через GSM/GPRS-телефон к сети Интернет или серверам (сервисам) оператора. Для работы в сети можно использовать стационарный компьютер, ноутбук или электронный органайзер. При этом появляется возможность просматривать HTML-страницы, перекачивать файлы, работать с электронной почтой и любыми другими ресурсами интернета. Пользователи GSM/GPRS получают доступ к интернету в полном объеме, как при проводном соединении. Оплачивается только объем посланной/полученной информации, а не эфирное время.

• До появления GPRS в сотовых сетях для передачи или приема данных абонентом занимался целый канал на время от установления соединения до его разрыва, которое оплачивалось вне зависимости от его загрузки. В GPRS максимально возможная скорость передачи данных составляет 171,2 кбит/с, что в 12 раз быстрее передачи данных в обычных сетях GSM (9,6 кбит/с). Передача данных в GSM организована таким образом, что абоненту выделяется канал, используемый системой для передачи голоса, посредством модема, встроенного в мобильный терминал. При этом в промежутках между передачей данных канал остается занятым.

• При использовании системы GPRS информация собирается в пакеты и передается, заполняя «пустоты» (не используемые в данный момент голосовые каналы), которые всегда есть в промежутках между разговорами абонентов. Использование одновременно нескольких голосовых каналов обеспечивает высокие скорости передачи данных. В этом и заключается принципиальное отличие режима пакетной передачи данных. В результате у абонента появляется возможность передавать данные и более эффективно использовать ресурсы сети. Появление GPRS позволило ввести принципиально новые услуги, которые не были доступны в сетях GSM. Прежде всего это мобильный доступ к ресурсам интернета с удовлетворяющей потребителя скоростью, мгновенным соединением и с очень выгодной системой тарификации.

• Следующим шагом на пути развития сетей пакетной передачи данных является внедрение технологии EDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution) – усовершенствованной технологии радиочастотной модуляции для сетей GSM и TDMA), которая позволяет достичь скорости передачи информации до 385 кбит/с. При этом базой для развертывания технологии EDGE служит система GSM/GPRS.

• В первой фазе (E-GPRS) эта технология обеспечивает операторам сетей GSM эволюционный переход к услугам мобильной передачи данных и мультимедийным сервисам за счет увеличения пропускной способности абонентских радиоканалов. Это достигается благодаря применению усовершенствованной схемы модуляции 8PSK в действующем частотном спектре GSM-сетей. Данный метод модуляции был одобрен Всемирным консорциумом универсальной беспроводной связи (UWCC), в который входят производители телекоммуникационного оборудования и операторы сотовой связи стандарта TDMA (стандарт ANSI-136, ранее D-AMPS). Данная технология способна обеспечить приемлемый уровень услуг подвижной связи при экономном использовании радиочастотного ресурса.

• Впервые EDGE была представлена Европейским институтом стандартизации электросвязи (ESTI) в начале 1997 года в качестве эволюции существующего стандарта GSM. Технология EDGE использует ту же полосу пропускания и структуру временных слотов, что и GSM. Таким образом, оператор может продолжать использовать уже имеющиеся диапазоны частот по 200 кГц, структуру каналов и частотные планы, при этом предлагая своим абонентам ряд услуг третьего поколения.

• Более того, использующийся в EDGE формат пакета полностью идентичен аналогичному пакету в GSM. Он включает тестовую последовательность из 26 символов в центре пакета, две последовательности из трех символов в конце пакета, две последовательности с данными по 58 символов и контрольную последовательность из 8.25 символов. В технологию GERAN (GSM EDGE Radio Access Network) радиодоступа GSM/EDGE включены следующие наиболее важные улучшения:

• широкополосное адаптивное кодирование речи с переменной скоростью для улучшения качества передаваемой речи;

• восьмипозиционная фазовая манипуляция;

• быстрое управление речью.

• Первый действующий стандарт мобильной сотовой связи с кодовым разделением каналов IS-95 был разработан фирмой QUALCOMM (США). Основная цель разработки – увеличение пропускной способности системы сотовой связи не менее, чем на порядок по сравнению с аналоговыми системами. Хотя технология CDMA была достаточно хорошо изучена и даже реализована в некоторых областях связи (например, в военной), её использование в системах коммерческой сотовой связи сдерживал ряд серьезных проблем. Важнейшие из них – необходимость быстродействующей и высокоточной системы регулировки мощности, трудности, возникающие при синхронизации адресных последовательностей, и недостаточно высокий уровень технологии изготовления оборудования.

• К системам третьего поколения можно отнести стандарт CDMA2000 1xRTT, который является членом семейства IMT-MC(IMT-2000 Multi Carrier) - стандартов на многочастотную систему CDMA с одновременной передачей нескольких несущих и частотным дуплексным разносом для применения в парных полосах частот. Этот стандарт представляет усовершенствованную версию стандарта IS-95B и обеспечивает одновременную передачу речи и низкоскоростную передачу данных в режиме коммутации каналов (КК), а также высокоскоростную (до 153 кбит/с) ПД − в режиме коммутации пакетов (КП) при использовании полосы частот 1,25 МГц.

• Дальнейшее развитие систем семейства стандарта IMT-MC предполагает, что при сохранении стартовой полосы частот будет происходить расширение полосы частот до 20 МГц, широкое использование пакетной передачи данных (сегмент 1xEV-DO) и применение комбинированных систем, рассчитанных как для передачи речи, так и передачи данных в пакетном режиме (сегмент 1xEV-DV).

• Сети мобильной связи стандартов cdmaOne и CDMA2000 1X полностью совместимы. В стандарт CDMA20001X введены ряд изменений, улучшающих качество радиоинтерфейса, повышающих скорость передачи данных и обеспечивающих большую пропускную способность сети. Эти изменения в первую очередь касаются архитектуры сети и организации высокоскоростной передачи данных.

• Стандарт W-CDMA представляет собой систему множественного доступа с кодовым разделением каналов и прямым расширением спектра частот (DS-CDMA). Сети W-CDMA развертывают поверх работающих сетей GSM.

• 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 передающих и 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.

• В 2006 году была разработана спецификация на радиоинтерфейс E-UTRA (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access), а в 2008 году утверждена версия стандартов 3GPP Release 8, фиксирующая архитектурные и функциональные требования к системам LTE (Long Term Evolution). Стандарт LTE базируется на технологиях мультиплексирования посредством ортогональных несущих OFDM, применения многоантенных систем MIMO и построения эволюционной системной архитектуры сети (System Architecture Evolution).

• По сравнению с ранее разработанными системами 3G, радиоинтерфейс LTE обеспечивает улучшенные технические характеристики. В частности, в LTE полоса частот канала связи может варьироваться от 1,4 (по некоторым источникам – от 1,25) до 20 МГц, что позволит удовлетворить потребности разных операторов связи. При этом оборудование LTE должно поддерживать не менее 200 активных соединений в зонах обслуживания базовых станций сети на 5 МГц полосы частот канала связи. Ожидается, что LTE улучшит эффективность использования радиочастотного спектра и, соответственно, возрастет объем передаваемых данных, а скорость их передачи при полосе частот канала связи 20 МГц составит 50 Мбит/с для восходящего соединения (от абонента к базовой станции) и 100 Мбит/с для нисходящего соединения (от базовой станции к абоненту). При этом возможна будет связь в движении со скоростью до 350 км/ч.

• Разработка стадарта LTE является важным этапом в процессе перехода к сетям четвертого поколения (4G), которые будут обеспечивать максимальную скорость передачи данных в прямом радиоканале до 1 Гбит/с, в обратном – до 500 Мбит/с; занимать полосы частот в радиоканале «вниз» до 70 МГц, в радиоканале «вверх» – до 40 МГц; обеспечивать коэффициент использования спектра частот в радиоканале «вниз» до 30 бит/с/Гц, в радиоканале «вверх» – до 15 бит/с/Гц; обеспечивать совместимость и взаимодействие с другими системами мобильной связи и др.

Условия функционирования систем подвижной связи

• Определение параметров радиоканала имеет ключевое значение при разработке систем мобильной радиосвязи. Свойства канала, вносимые искажения и помехи, а также допустимая ширина спектра передаваемого сигнала определяют максимальную скорость передачи данных при заданном уровне достоверности передачи информации.

• Используемые в сотовых системах мобильной связи радиосигналы дециметрового диапазона поступают в место приема по многим путям (лучам) различной длины вследствие многократных отражений от препятствий на пути распространения. Представим излучаемый сигнал в форме:

• где аналитический сигнал имеет вид:

• Аналитический сигнал , соответствующий сигналу , поступающему на антенну подвижной станции и являющемуся суммой сигналов, приходящих по путям различной длины с различным числом переотражений, представим в виде:

• где каждый из аналитических сигналов в -ом луче приема, в свою очередь, соответствует сумме сигналов, являющихся результатами рассеяния и отражений в непосредственной близости от подвижной станции.

3ХАРАКТЕРИСТИКИ РАДИОКАНАЛА В СОТОВЫХ СИСТЕМАХ МОБИЛЬНОЙ РАДИОСВЯЗИ модель рассматриваемого многолучевого радиоканала может быть представлена в виде линии задержки (ЛЗ) с отводами, соответствующими каждому из лучей приема, взвешиванием в соответствии с коэффициентами и последующим суммированием .

• 4 Характеристики радиоканала в сотовых системах мобильной радиосвязи

• Как средние значения задержек сигналов в различных лучах приема, так и значения коэффициентов взвешивания зависят от времени вследствие перемещения приемной станции и соответствующего изменения морфоструктуры местности в точке приема.

• При этом, поскольку расположение объектов, вызывающих отражения и рассеивание сигналов в непосредственной близости от точки приема, является случайным, все перечисленные параметры оказываются случайными величинами.

5 Характеристики радиоканала в сотовых системах мобильной радиосвязи

• В соответствии с моделью Кларка (Clarke) при достаточно большом числе N рассеянных и отраженных сигналов, что и имеет место при приеме сигналов в условиях сильно пересеченной местности и городской застройки, коэффициенты могут рассматриваются как случайные процессы, вещественные и мнимые части которых статистически независимы и распределены по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и одинаковыми дисперсиями.

• Тогда, при излучении передатчиком немодулированного гармонического колебания , сигнал, принимаемый по k-му лучу, в соответствии с моделью Кларка представляет собой узкополосный гауссовский процесс, огибающая которого описывается законом Рэлея, а фаза распределена равномерно.

6 Характеристики радиоканала в сотовых системах мобильной радиосвязи

ЗАТУХАНИЕ

• Одним из последствий рассмотренного выше явления многолучевого распространения оказывается увеличение степени затухания уровня средней мощности сигнала с ростом расстояния от передающего устройства по сравнению с затуханием в свободном пространстве.

• В последнем случае, как известно, средняя мощность принимаемого сигнала обратно пропорциональна квадрату этого расстояния, в то время как в системах мобильной связи, в зависимости от условий распространения, этот показатель может достигать значений 3...5.

• Получение достаточно точных аналитических оценок величины энергетических потерь при распространении сигнала в различных условиях не представляется возможным, поэтому при проектировании современных систем используют различные статистические модели таких потерь, полученные в результате анализа и обобщения результатов многочисленных экспериментов

7 Характеристики радиоканала в сотовых системах мобильной радиосвязи

• Модель Окамура (Okumura). Это одна из наиболее простых и широко используемых моделей. Потери средней мощности сигнала в процессе распространения на расстояние (км) от БС оцениваются следующим образом (все величины в децибелах):

• 

• Где потери при распространении колебания с длиной волны

• в свободном пространстве; потери в городской среде по отношению к потерям в свободном пространстве в случае, когда эффективная высота антенны БС =200м, а высота антенны МС =3м.

• Корректирующий коэффициент учитывает отклонение величины (м) от значения 200м, а корректирующий коэффициент учитывает отклонение величины (м) от значения 3м. За исключением все величины в (4.8) для заданной частоты сигнала в диапазоне от 150 до 1920 МГц находятся из графиков, являющихся результатом многочисленных измерений в условиях г.Токио. При этом расстояние между БС и МС составляет от 1 до 100 км, а выбирается в диапазоне от 30 до 1000 м.

• К сожалению, модель Окамура дает большие погрешности для условий сельской местности, особенно при больших перепадах высот.

• Модель Окамура-Хата (Okumura-Hata). Эта модель является модификацией модели Окамура на основе использования эмпирических зависимостей, аппроксимирующих экспериментальные графики Окамура. Так, в районах с типичной городской застройкой в диапазоне от 150 до 1500 МГц при эффективной высоте антенны БС от 30 до 200 м потери (в децибелах) средней мощности сигнала оцениваются следующим образом:

• Поправочный коэффициент зависит от высоты расположения антенны МС и в диапазоне от 1 до 10 м вычисляется по формуле:

• При оценке потерь в условиях крупного города

• Впригородной местности потери описываются выражением:

• вто время как на открытой местности

• Приведенная выше модель удовлетворительно описывает потери средней мощности на расстояниях свыше 1 км и в диапазоне частот до 1,5 ГГц. В области же частот от 1,5 до 2 Ггц реальное затухание сигнала оказывается существенно выше, чем следует из данной модели. Специально для указанной области частот разработаны модель COST231-Хата (Cooperation for Scientific and Technical Research, COST) и модель COST231-Уолфиш-Икегами.