Переход к стандартам 3го поколения

Другой тип радиоинтерфейса — IMT-TC (IMT-2000 Time-Code), представленный этим объединением в МСЭ, основан на кодово-временном разделении каналов TDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (TDD) и предназначен для организации связи в непарных полосах частот. IMT-TC фактически представляет собой чисто формальное объединение двух различных технических решений — европейского предложения UTRA TDD и китайского TD-SCDMA.

С технической точки зрения основное отличие вариантов IMT-DS и IMT-TC от ранее поступивших в МСЭ предложений — в базовой чиповой скорости. В этих проектах она изменена с 4,096 Мчип/с на 3,84 Мчип/с (табл. 4).Показатель Технология

IMT-DS IMT-MC IMT-TC IMT-SC IMT-FT

Авторы технических спецификаций 3GPP, ARIB, ETSI 3GPP2, TIA TR-45.3 3GPP, ETSI, 3GPP2, UWCC, CWTS ETSI TIA TR-45.3

Базовая технология WCDMA, UTRA FDD cdma2000 UTRA TDD TD-SCDMA UWC-136 DECT EP

Метод доступа DS-CDMA MC-CDMA TDMA/CDMA TDMA MC-TDMA

Дуплексный разнос FDD FDD TDD FDD FDD/TDD

Чиповая скорость, Мчип/с 3,84 3,6884 3,84 (UTRA) 1,28 (SCDMA) Н/д Н/д

Скорость передачи, кбит/c Н/д Н/д Н/д 384; 2048 1152; 2304; 3456

Вид модуляции QPSK/BPSK HPSK* QPSK/BPSK QPSK/BPSK HPSK* BOQAM QOQAM GFSK; p/2-DPSK p/4-DQPSK p/8-D8PSK

Длина кадра, мс 10 5 и 20 10 4,6 10

Примечание. Н/д — нет данных. * HPSK (Hybrid Phase-Shift Keying) — гибридная фазовая манипуляция (известная также как OCQPSK).

Аббревиатура IMT-FT (IMT-2000 Frequency Time) присвоена проекту DECT EP, который поступил от ETSI. Новый стандарт на микросотовую систему DECT предполагает применение комбинированного частотно-временного дуплексного разноса и предназначен для работы как в парных, так и в непарных полосах частот. В IMT-FT определены три значения скоростей передачи: 1,152; 2,304 и 3,456 Мбит/с, реализовать которые можно за счет введения новых методов модуляции p/2-DPSK, p/4-DQPSK и p/8-D8PSK соответственно.

Во второе партнерское объединение — 3GPP2 — входят Ассоциация промышленности связи TIA (представленная подкомитетами TIA TR-45.3 и TIA TR-45.3) и ряд азиатских региональных организаций: ARIB, CWTS, TTA и TTC. Члены 3GPP2 являются сторонниками эволюционного развития двух технологий сотовой связи 2-го поколения TDMA (IS-136) и cdmaOne (IS-95), которые в настоящее время широко распространены в США.

Предложения от этого партнерства представлены двумя вариантами радиоинтерфейсов, получившими обозначение IMT-MC (IMT-2000 Multi Carrier) и IMT-SC (IMT-2000 Single Carrier), см. табл. 3. Первый из них — IMT-MC — по сути представляет собой модификацию многочастотной системы cdma2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с оборудованием стандарта cdmaOne (IS-95). Увеличение пропускной способности реализуется за счет одновременной передачи сигналов на нескольких несущих с частотным дуплексным разносом, предполагается работа в непарных полосах частот. Радиоинтерфейс IMT-SC базируется на спецификациях проекта стандарта UWC-136; в нем определено поэтапное расширение возможностей существующей системы TDMA при условии работы системы в парных полосах частот.

4. Структура радиоинтерфейсов для IMT-2000.

Начальный этап внедрения сетей 3-го поколения планируется на 2002—2003 гг. По прогнозам, в это время общемировой рынок мобильной связи охватит 600 млн абонентов. Капитальные вложения операторов связи в создание и развитие такого гигантского рынка, по оценке экспертов, превысят 60 млрд долл. Очевидно, что массивность и инерционность общемирового рынка не позволят в короткие сроки осуществить переход всех сетей мобильной связи к новым техническим стандартам и режимам обслуживания абонентов в развитых странах. Однако можно ожидать, что в некоторых регионах создание сетей 3-го поколения будет начато «с нуля».

Сегодня наиболее вероятно, что в странах с развитой телекоммуникационной инфраструктурой переход к 3-му поколению будет происходить путем совершенствования существующих сетей и внедрения технологий предоставления новых услуг по мере появления спроса. Параллельно будут создаваться маленькие «островки» 3G-технологий (WCDMA и др.), которые станут расширяться с ростом числа абонентов.

Очевидно, что рыночные факторы и особенности региональных рынков Европы, Северной Америки и Азии будут препятствовать быстрому переходу от существующих технологий к стандартам 3-го поколения. Этап внедрения новых технологий продлится не менее четырех лет (2002—2005 гг.), а совместное существование систем 2-го и 3-го поколений — примерно до 2010 г.

Никто не сомневается, что Япония и азиатские рынки станут первыми массовыми полигонами, где новые технологии будут испытаны уже к 2002 г., что, конечно, повлияет не только на структуру мирового рынка мобильной связи, но и, возможно, на сами стандарты.

FDD и TDD

В соответствии с концепцией IMT-2000 в системах 3-го поколения предполагается создание единого частотного пространства шириной 230 МГц с разными сценариями использования. Основа этих сценариев — режимы FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex). Новизна технологий IMT-2000 связана прежде всего с выделением парных полос частот для систем, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD), и непарных — для систем с временным дуплексным разносом (TDD).

Комбинированное использование этих двух режимов делает систему гибкой, позволяя изменять пропускную способность и способы организации связи. Режим FDD более эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов, а TDD, напротив, предназначен для работы в пико- и микросотах, т. е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.

Сравним характеристики систем WCDMA FDD и UTRA TDD (табл. 5). У них, безусловно, много общего: одинакова чиповая скорость 3,84 Мчип/с (в базовом варианте), сходны принципы кодирования и демодуляции, идентичны и длины кадра и суперкадра. Последний параметр значительно упрощает процедуру совместимости режимов, а синхронизация по кадрам базовых станций обеспечивает быстрый поиск сот и эффективное распределение каналов. Показатель WCDMA FDD UTRA TDD

Диапазон частот, МГц 2110—2170 («вниз»); 1920—1980 («вверх») 1900-1920 («вниз»); 2010-2025 («вверх»)

Метод доступа DS-CDMA TD-CDMA

Полоса частот, МГц 2х5; 2х7,5; 2х15 5

Разнос между несущими, кГц 200 200

Чиповая скорость (базовая), Мчип/с 3,84 3,84

Синхронизации базовых станций Асинхронная (возможна синхронная) Синхронная

Схема поиска ячеек Трехэтапная процедура (первичный и вторичный SCH) Канал SCH (повторение N раз в течение 240 мс)

Коэффициент расширения (SF) 1—512 1—16

Модуляция в канале данных

«вниз» QPSK QPSK

«вверх» BPSK QPSK

Расширяющая модуляция

«вниз» QPSK QPSK

«вверх» QPSK или HPSK (OCQPSK) QPSK

Глубина перемежения, мс 10/20/40/80 10/20/40/80

Кадровая структура, мс 0,625 (КИ*), 10 (кадр) 720 (суперкадр) 0,625 (КИ), 10 (кадр) 720 (суперкадр)

Скорость передачи в канале управления мощностью, кбит/с 1,6 0,1—0,8

Точность управления мощностью, дБ 0,25—1,5 1—3

Максимальная излучаемая мощность (скорость 8 кбит/с, речь), дБм 24 27,2

Пропускная способность** в полосе 30 МГц, Эрл/МГц/сота 56,5/57,0**** 68,0/106****

Пропускная способность*** в полосе 30 МГц, Мбит/с/МГц/сота 0,657/0,753**** 0,846/0,452****

Максимальная дальность мобильной и базовой станций, км 5,787/4,475**** 6,041/5,279****

* КИ — канальный интервал. ** При передаче речи. *** При передаче данных со скоростью 144 кбит/с. **** Первая цифра соответствует линии «вниз», вторая — линии «верх».

При дуплексной передаче с частотным разделением — FDD — число каналов в линиях «вниз» и «вверх», как правило, одинаково. А в режиме TDD двусторонняя радиосвязь обеспечивается за счет временного уплотнения каналов передачи и приема на одной несущей, что позволяет оптимально перераспределять ресурсы линии связи, выделяя различное число временных интервалов в линиях «вверх» и «вниз».

В европейском проекте UTRA изменение соотношения трафика в линиях «вверх» и «вниз» составляет от 15/1 до 2/14. Некоторое отличие в коэффициенте асимметрии обусловлено тем, что по крайней мере два канальных интервала должны быть выделены для служебных нужд в линии «вниз» (каналы синхронизации SCH) и один — в линии «вверх» (канал доступа RACH). Аналогичные решения будут приняты для режима TDD в других проектах наземных систем подвижной связи 3-го поколения.

Необходимость совместимости режимов TDD и FDD требует реализации простых и дешевых двухрежимных FDD/TDD-терминалов. Сегодня это возможно благодаря использованию одних и тех же микросхем как в двух-, так и в однорежимных радиотелефонах. При этом двухрежимное абонентское устройство FDD/TDD будет ненамного сложнее обычного FDD-терминала.

Протоколы верхнего уровня обрабатываются в режимах TDD и FDD идентичным образом. Кроме того, процедуры мультиплексирования и расширения кодов в каналах «вверх»/«вниз» этих режимов используют одинаковую управляющую информацию. Общие процедуры и одна и та же канальная структура позволяют говорить о совпадении основных свойств UTRA TDD и WCDMA FDD (набор протоколов верхних уровней, услуги для прикладных служб и др.).

Использование одной и той же частоты для линий «вверх» и «вниз» упрощает конструкцию адаптивных (интеллектуальных) антенн, приемопередатчиков и в целом оборудования базовых станций. Так как характеристики замираний в прямом и обратном каналах в значительной степени коррелированы, то для их компенсации используются одинаковые методы управления мощностью и адаптивными антеннами.

Таким образом, системы на базе WCDMA FDD и UTRA TDD дают возможность нескольким операторам совместно использовать одну и ту же полосу частот, без взаимных помех и снижения качества связи. Никакой частотной координации между операторами в этом случае не требуется. А гибкая сетевая архитектура обеспечивает создание сетей разной конфигурации (макро-, микро- и пикосоты) при экономном использовании радиоресурсов.

5. Базовые сети.

Согласно концепции IMT-2000, система нового поколения подразделяется на две составные части: сети радиодоступа и магистральную базовую сеть. Подходы к их проектированию принципиально различны.

Эффективность сетей радиодоступа в значительной степени зависит от новизны технологий, которые в них используются. Смена поколений, как правило, означает и смену идеологии построения этих сетей. Магистральные сети более «инерционны». В них инвестированы значительные средства, которые операторы желают сохранить при переходе к 3-му поколению. Кроме того, существующие базовые сети не являются сдерживающим фактором для внедрения современных ЗG-услуг. Поэтому их инфраструктура будет развиваться эволюционным путем, опираясь на существующие сети GSM, TDMA (IS-136), IP, IN и ISDN, что подтверждают и исследования, проведенные в рамках IMT-2000.

Сегодня в качестве магистральных предполагается использовать сеть, базирующуюся на IP-технологии, а также усовершенствованные опорные сети GSM MAP и ANSI-41, которые развернуты для наиболее развитых стандартов мобильной связи 2-го поколения — европейского GSM и североамериканских TDMA (IS-136) и CDMA (IS-95). Взаимодействие между тремя магистральными сетями — GSM MAP, ANSI-41 и базовой IP-сетью — будет осуществляться через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network Interface).

Стандартный модуль идентификации пользователя UIM (User Identity Module) обеспечит глобальный роуминг независимо от метода радиодоступа или типа транспортной сети в том или ином географическом регионе.

В настоящее время важнее всего дать возможность всем операторам действующих сетей использовать существующую инфраструктуру при реализации набора новых услуг IMT-2000. В связи с этим МСЭ считает необходимым начать разработки единого протокола NNI, обеспечивающего глобальный роуминг в рамках 3G-систем.

Транспортная сеть должна обеспечить межсетевое взаимодействие и «прозрачность» доступа к услугам независимо от местонахождения абонентов. Чтобы реализовать это требование на практике, предусматривается создание специального конвертора, или шлюза, IWG (Interwoking Gateway), который и будет поддерживать глобальный роуминг при любом протоколе радиодоступа.

Сегодня уже очевидно, что окончательному внедрению систем 3-го поколения будет предшествовать очень продолжительный период их совместного существования с системами 2-го поколения. Благодаря различиям в наборе и стоимости предоставляемых услуг новые технологии будут не конкурировать со старыми, а дополнять их.

Однако о предоставлении услуг массовому пользователю говорить еще рано. Основная причина — слишком высокая стоимость абонентского оборудования.

Несомненно также, что тарифы на новые услуги будут несоизмеримо выше, чем на традиционные, предоставляемые системами 2-го поколения. Это означает, что они будут востребованы лишь ограниченным контингентом потребителей. Поэтому глобального вытеснения старых технологий системами подвижной связи 3-го поколения пока не предвидится. Аналитики рынка считают, что процесс может занять 5—10 лет, а решающим фактором его ускорения станет востребованность услуг высокоскоростной передачи данных.

Организация ETSI традиционно участвует в разработке систем сотовой связи для массового использования. На этот раз ее вкладом в создание систем 3-го поколения стала программа UMTS, базирующаяся на успешном опыте разработки и внедрения систем GSM и DECT.

В этой программе однозначно определено, что UMTS — это глобальная система, включающая как земные, так и спутниковые сети. Диапазон ее возможностей и областей применения необычайно широк. Она отличается от GSM и других систем 2-го поколения широким спектром услуг передачи речи с высоким качеством (сопоставимым с качеством при фиксированной связи) и мультимедиа при конкурентоспособных ценах на эти услуги. UMTS позволяет организовать полное взаимодействие с системами GSM и модификациями этого стандарта (GPRS и др.), что обеспечит сохранность инвестиций, сделанных в работающие сейчас сети.

В связи с тем что стандартизация UMTS в настоящее время происходит только в области выбора частотного диапазона и структуры радиоинтерфейса, различные компании предлагают самостоятельные технические решения.