4 Подготовка и принятие
стандарта WCDMA
4.1. Введение
На первом этапе работ по стандартизации систем третьего поколения в нескольких регионах проводился отбор лучших технологий множественного радиодоступа. В данной главе описывается процесс выбора, который осуществлялся в ETSIв основном в течение 1997 г., а также приводятся решения, принятые региональными организациями по стандартизации, в начале 1998 г. Представлены также и другие органы стандартизации, выполнявшие работу, связанную сWCDMA, а затем описывается и 3GPP, общий проект по стандартизации для создания глобального стандартаWCDMA.
4.2. Подготовительная работа в Европе
В Европе выбору технологии третьего поколения предшествовал длительный период исследований. Начало исследовательской работе по основам построения систем третьего поколения было положено программой RACEI(исследование перспективных технологий в области связи в Европе) в 1988 г. За этой программой последовала программаRACEIIпо разработкеCODIT(испытательной модели с кодовым разделением), основанной наCDMA, иATDMA(усовершенствование мобильного доступаTDMA) для воздушных интерфейсов, выполнявшаяся в течение 1992-95 г.г. Кроме того, в ряде проектов, осуществлявшихся промышленностью в Европе, изучались предложения по построению широкополосных интерфейсов: см., например, [1].
Работы по Европейской исследовательской программе ACTS(усовершенствованные технологии и услуги в области связи) были начаты в конце 1995 г. для обеспечения исследований и разработок по подвижной связи. В рамкахACTSбыл запущен проектFRAMES(перспективная широкополосная радиосистема множественного доступа) [2] с задачей выработки предложения по системе радиодоступа кUMTS. Основными партнерами в промышленности, участвовавшими в проектеFRAMES, были компанииNokia,Siemens,Ericsson,FranceTelecomиCSEM/ProTelecom; в числе участников были также некоторые Европейские университеты. На основе результатов, полученных на этапе оценки первоначального предложения, по проектуFRAMES, была определена платформа гармонизированного множественного доступа, включающего в себя два режима:FMA1, широкополосныйTDMA[3] иFMA2, широкополосныйCDMA[4]. Предложения по проекту об использовании широкополосногоCDMAи широкополосногоTDMAбыли представлены вETSIкак варианты воздушных интерфейсовUMTSи вITUдля системыIMT-2000.
На основе предложений, представленных в 1996 г. и в начале 1997 г., по построению воздушного интерфейса с территориальным радиодоступом к UMTS(UTRA), изложенных в промежуточном отчете, вETSIв июне 1997 г. было сформировано пять групп по разработке концепций.
Были организованы следующие группы:
Широкополосного CDMA(WCDMA)
Широкополосного TDMA(WTDMA)
TDMA/CDMA
OFDMA– (множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов)
ODMA– (множественный доступ с использованием открывающихся за счет переприема возможностей).
Группы по разработке концепций, образованные в ETSI, будут представлены в следующих разделах. Оценка предложений производилась на основе требований, определенных в Рекомендациях Международного союза электросвязи поIMT-2000 (и требованийETSI, определенных в частности вUMTS21.01 [5]), а также на принципах оценки и условиях, описанных вUMTS30.06 [7].
4.2.1. Широкополосный CDMA
Группа по концепции WCDMAбыла создана для рассмотрения предложений поWCDMA, содержавшихся в проектахFRAMES/FMA2, компанийFujitsu,NECиPanasonic, нескольких Европейских, Японских и Американских компаний, внесших вклад в разработки концепцииWCDMA. Физический уровень восходящего каналаWCDMAбыл принят в основном из проектаFRAME/FMA2, тогда как решение по нисходящему каналу было видоизменено, следуя принципам, содержавшимся в других предложениях, представленных группе по концепцииWCDMA.
Основные характеристики системы:
Работа широкополосной CDMAс несущей (тактовой) частотой 5 МГц
Гибкость физического уровня, позволяющая объединить все скорости передачи данных на одной несущей
Однократное повторное использование.
Усовершенствования включили в себя:
Разнесение передачи
Использование адаптивной антенны
Поддержка усовершенствования построения приемников.
Концепция WDCMAполучила широкое признание; в техническом отношении более всего подкупила гибкость физического уровня, позволяющая обеспечивать различные виды сервиса одновременно. Это весомое преимущество, особенно при использовании низких и средних скоростей передачи. В качестве недостатковWCDMAбыло признано то, что в не согласованной системе в режимеTDDпри непрерывной работе на прием и передачу технология чистойWCDMAне позволяет улучшить защиту от помех при использовании беспроводных телефонов.
4.2.2. Широкополосный TDMA
Группа по концепции WTDMAвзяла на рассмотрение вариант без расширения спектра, предложенный в проектеFRAMES/FMA1. ПроектFRA-MES/FMA1 был фактически построен на концепции системы, основанной наTDMAсо скоростью на несущей 1‚6 МГц для реализации широкополосного сервиса. Эта концепция была нацелена на получение высокой пропускной способности путем усреднения действия помех в выбранной полосе оператора за счет использования меняющейся загрузки и скачкообразной перестройки частоты.
Основные характеристики системы:
Коррекция с помощью обучающей последовательности в пакетах TDMA
Усреднение помех с помощью скачкообразной перестройки частоты
Адаптация канала
Два основных типа пакетов, 1/16 и 1/64 длины для высокой и низкой скорости передачи соответственно
Небольшие возможности повторного использования.
Усовершенствования включили в себя:
Подавление помех между ячейками
Поддержка адаптивных антенн
Работы в режиме TDD
Менее сложные выравниватели для условий с большим разбросом задержки.
Основным недостатком была признана небольшая дальность связи с учетом сервиса с малой скоростью передачи. Это обусловлено тем обстоятельством, что при работе на основе TDMAдлительность слота составляет, как минимум, только 1/64 часть длительности временного окна, что приводит либо к очень высокой максимальной (пиковой) мощности, либо к низкому среднему уровню выходной мощности. Это означает, что для передачи на большие расстояния, например, речи, концепцияWTDMAсама по себе не окажется конкурентоспособной, а потребует для поддержки дополнительно узкополосного варианта.
4.2.3. Широкополосная TDMA/CDMA
Группе WTDMA/CDMAбыло задано направление по рассмотрению варианта с расширением спектра, предложенного в проектеFRAMES/FMA1, приведшего к гибридной концепцииCDMA/TDMAпри разнесении несущих частот на 1‚6 МГц.
Основные характеристики системы:
Пакетная структура TDMAсо вставкой для оценки канала
Концепция CDMA, наложенная на структуруTDMAдля получения дополнительной гибкости
Уменьшение помех внутри ячейки за счет приема многими пользователями во временном слоте на одной и той же несущей.
Небольшая кратность повторного использования, до 3.
Усовершенствования включили в себя:
Скачкообразная перестройка частоты
Подавление помех между ячейками
Работа в режиме TDD
Динамическое распределение каналов.
Данное предложение, особенно вопросы, связанные со сложностью приемника, вызвали оживленные дискуссии во время процесса выбора.
4.2.4. OFDMA
Группа OFDMAсоздана для работы с технологиейOFDMA(множественный доступ с ортогональным частотным разделением каналов), начало которой положено с системTelia,SonyиLucent. Концепция системы была сформирована при обсужденииOFDMAна различных форумах, например, на Японском форуме по стандартизацииARIB.
Основные особенности концепции:
Работа с медленной скачкообразной перестройкой частоты с TDMAи мультиплексированием сOFDM
В полосе 100 Кгц размещается слот сигнала OFDMкак основной элемент ресурса
Более высокие скорости, получаемые за счет выделения нескольких слотов, создающих широкополосный сигнал
Разнесение, обеспечивающее разделение информации по нескольким слотам на несущей.
Использованные усовершенствования:
Разнесение передачи
Прием многими пользователями при подавлении помех
Решения с использованием адаптивных антенн
Основным техническим недостатком концепции системы было признано направление передачи в восходящем канале, где возникающие изменения огибающей создают проблему для построения усилителя мощности.
4.2.5. ODMA
Предложенный компанией Vodafoneмножественный доступ с использованием открывающихся за счет переприема возможностей (ODMA) представляет в основе своей протокол ретрансляции, а не чистый множественный доступ как таковой. ГруппаODMAпозднее слилась с группойWCDMAиWCDMA/TDMA, а концепция не рассматривалась в процессе выбора в качестве самостоятельной.
Если говорить коротко, в режиме ODMAтерминал, находящийся за пределами зоны обслуживания ячейки, будет использовать другой терминал как ретранслятор для передачи пакетов на базовую станцию. Было признано, что работаODMAосуществима при работеTDD, где как прием , так и передача происходят в одной и той же полосе частот. Если бы возникло желание реализоватьODMAсFDD, то потребовались бы терминалы либо для приема в их нормальной полосе передачи, либо для последующей передачи в их нормальной полосе приема. Такое требование делаетODMAбесполезной дляFDDс позиции реализации.
4.2.6. Выбор ETSI
Все предложенные технологии по существу способны выполнить требования UMTS, хотя было трудно достигнуть консенсуса по таким вопросам, как пропускная способность системы, поскольку результаты моделирования могут значительно отличаться в зависимости от принятых допущений. Однако, вскоре стало очевидным в процессе выбора, что основными вариантами былиWCDMAиTDMA/CDMA. Кроме того, такие вопросы, как глобальные возможности технологии, естественно принимались во внимание в тех случаях, когда очевидные технические заключения были весьма ограничены; в этом отношении результат выбора технологииARIBв Японии можно считать поддержкойWCDMA.
Окончательное решение по этим технологиям ETSIпринял в январе 1998 г. [8], выбравWCDMAв качестве стандарта для воздушного интерфейсаUTRA(территориальный радиодоступ кUMTS) в парных частотных полосах, т.е. дляFDD(частотное дуплексное разнесение каналов), иWTDMA/CDMAдля работы с не парным выделением спектра, т.е. для работыTDD(временное дуплексное разделение каналов). Работа по стандартизацииUTRAпродолжались вETSIдо тех пор, пока не была переадресована (перепоручена) Партнерству по проекту в области технологий третьего поколения (3GPP). Техническая работа поUTRAбыла передана 3GPPв начале 1999 г.
1988 1992 1995 1997 1998
Рис. 4.1. Европейские программы исследований по системам третьего
поколения и решение ETSI.