Мобільний зв'язок третього покоління

Причини розробки систем мобільного зв'язку третього покоління

Одним з найбільш грандіозних проектів кінця XX століття є програма ІМТ-2000. У її основі лежить ідея створення нового сімейства систем рухомого зв'язку третього покоління (3G), що охоплює технології безпроводного доступу, наземної стільникового і супутникового зв'язку. Після ряду безуспішних спроб виробити і погодити однакові вимоги до систем 3-го покоління МСЭ вирішив підійти до цієї проблеми з інших позицій. Суть нової концепції складається в збереженні ідеї глобального роумінгу, але лише як ідеологічну основу для об'єднання існуючих аналогових і цифрових мереж із системами, що базується на новому сімействі стандартів 3-го покоління, що одержало позначення IFS (ІМТ-2000 Family of Systems). Прийнявши як даність не один, а сімейство стандартів і відмовивши тим самим від принципу глобального міжнародного стандарту, МСЭ активізував свої зусилля на їхнє гармонізації.

Концепція систем 3-го покоління націлена на створення умов для надання послуг мультимедіа, включаючи високошвидкісну передачу інформації, відео і мови, факсимільних повідомлень і даних будь-якому абоненту за допомогою мобільного термінала, що має єдиний номер. Вартість послуги повинна бути мінімальна при прийнятній якості і рівні безпеки. Головна мета розробки систем 3-го покоління – – задоволення потреби масового ринку в персональному зв'язку, і її досягнення буде залежати як від тарифів для мереж загального користування, так і від вартості абонентського термінала. Програма ІМТ-2000 базується на ряді ознак, що визначають принципи побудови систем 3-го покоління і їхню архітектуру. Уже на першому етапі розгортання вони повинні забезпечувати визначені значення швидкості передачі для різних ступенів мобільності абонента (тобто різних швидкостей його руху) у залежності від величини зони покриття:

• до 2,048 Мбіт/с при низькій мобільності (швидкість менше 3 км/год) і локальній зоні покриття;

• до 144 Кбіт/с при високій мобільності (до 120 км/год) і широкій зоні покриття;

• до 64 (144) Кбіт/с при глобальному покритті (супутниковий зв'язок).

Вид послуги	Швидкість передачі, Кбіт/с	Середня тривалість повідомлення, с	Режим роботи	Послуги
Голосовий зв'язок	4 – 32	60	Комутація каналів	Мова, голосова пошта
Низько швидкісний обмін даними	9,6 – 14,4	30	Комутація пакетів	SMS, визначення місця розташування
Передача до комутируваних даних (ISDN)	До 64	156	Комутація каналів	Послуги мережі ISDN
Інтерактивний обмін мультимедіа-даними	128 – 384	144	Комутація каналів	Відеотелефонний зв'язок, передача зображень і великих обсягів інформації
Асиметрична передача мультимедіа-даних	384 – 2048	14 – 53	Комутація пакетів	Робота з мережами Internet і інтрамережами

Таблиця 1. Послуги систем 3-го покоління

Що ж стосується набору послуг, то він фактично наближається до наданого в мережах фіксованого зв'язку. Це і високошвидкісний доступ у Internet, і мультимедіа (табл. 1). Очевидно, що досягнення таких високих швидкостей при обмеженому частотному ресурсі і роботі в каналах із завмираннями зажадає розробки принципово нових підходів до побудови радіоінтерфейса. Архітектура систем майбутнього включає два основних елементи: мережну інфраструктуру (Access Network) і магістральні базові мережі (Core Network). Така структура забезпечує можливість нарощування інфраструктури шляхом послідовної модифікації її складених елементів, але щоб гарантувати роботу мереж у довгостроковій перспективі, необхідно пам'ятати про абонентську частину архітектури – термінали, що за рахунок змінюваної конфігурації повинні задовольняти вимогам багатьох стандартів.

Наземний рухомий зв'язок

У червні 1998 р. у МСЭ надійшло 10 пропозицій по проектах стандартів наземного зв'язку, вісім з який розроблені на базі технології CDMA і два – на основі TDMA (табл. 2). Проекти були заявлені від трьох великих регіонів світу – Північної Америки, Європи й Азіатсько-Тихоокеанського – і відбивають «національні» розходження в технологіях і шляхах переходу до систем рухомого зв'язку 3-го покоління.

Район	Проект	Коротка характеристика проекту
Європа (Район 1)	UTRA (ETSI)	Поєднує дві технології: широкосмуговий доступ WCDMA і комбінований доступ TDMA/CDMA. Спочатку в якості чиповой швидкості була обрана 4,096 Мчип/с, у процесі гармонізації значення зменшене до 3,84 Мчип/с
DECT ЕР (ETSI)	Розширює спектр послуг і пропускну здатність системи мікростільникового зв'язку DECT
Північна Америка (Район 2)	UWC- 136 (ТІА TR45.3)	Базується на технології TDMA і висуває мінімальні вимоги до частотних ресурсів
cdma200 О (ТІА TR45.5)	Заснований на еволюції стандарту cdmaOne (IS-95) і несумісний по чиповой швидкості з пропозиціями WCDMA (ARIB) і UTRA (ETSI)
WIMS (ТІА Т46.1)	Компромісне рішення, що поєднує стандарти UTRA (Європа) і WCDMA (Японія)
WCDMA NA (ТІР1 ATIS)	Багато в чому ідентичний пропозиціям UTRA і WCDMA, але зі своїми особливостями застосування режиму TDD (Ericsson)
Азіатсько-Тихоокеанський регіон (Район 3)	WCDMA (ARIB)	Заснований на широкосмугов технології DS-CDMA і містить базові технічні рішення для систем 3-го покоління з частотним дуплексним розносом. (Японія) Спочатку в якості базової чипової швидкості була обрана 4,096 Мчип/с, згодом змінена на 3,84 Мчип/с
CDMA I (ТТА)	Базується на синхронній технології DS-CDMA і технічних рішеннях стандарту cdma2000 (Південна Корея)
CDMA II (ТТА)	Заснований на широкосмугов асинхронній технології DS-CDMA і технічних рішеннях стандартів WCDMA і UTRA (Південна Корея)
TD- SCDMA (САТТ)	Комбінований варіант синхронної системи TDMA/CDMA (Китай)

Таблиця 2. Проекти стандартів сухопутного рухомого зв'язку

У Європі зуміли виробити єдину політику переходу до 3-му покоління, скоординувавши діяльність усіх європейських країн, у результаті чого кількість її проектів обмежилося двома: UTRA і DECT ЕР. Однак слід зазначити, що представлені в МСЭ проекти не вичерпують усіх можливих шляхів створення нових технологій. Так, у число заявлених стандартів не потрапили пропозиції по удосконалюванню GSM, що будуть розвиватися ETSI на базі нових технологій GSM-400, HSCSD, GPRS і EDGE. Але, на думку заявників, технології GPRS і EDGE являють собою усього лише платформу, зручну для впровадження послуг UMTS/IMT-2000. У США, на відміну від Європи, відмовилися від єдиної національної пропозиції і представили цілих чотири проекти, два з який підготовлені не інститутами по стандартизації типу ANSI чи ТІА, а промисловими фірмами Qualcomm і Ericsson (Північно-Американським відділенням) і можуть «по суті» вважатися корпоративними.

Фактично, пропозиції США означають три шляхи розвитку для 3G-систем. Перший з них заснований на подальшому удосконалюванні технології TDMA*/AMPS, що одержала широкий розвиток не тільки в США, але й у світі. Цей стандарт припускає використання мобільних терміналів з мовним кодеком VSELP (8 кбіт/с), пакетну передачу даних CDPD (19,2 кбіт/с), передачу коротких повідомлень (SMS), факсимільну передачу (група G3) і т.п. Концепція побудови системи 3-го покоління на базі стандарту IS-136 викладена в проекті стандарту UWC-136 RTT, запропонованому технічним підкомітетом TR-45.3 (США). Даний проект припускає удосконалювання стандарту TDMA у три етапи, причому на кожнім будуть використовуватися три різних типи радіочастотних каналів: IS-136+ (без розширення смуги каналу 30 кГц), IS-136 HS (Outdoor/Vehicular) із шириною смуги каналу 200 кГц і IS-136 HS (Indoor Office) із шириною смуги каналу 1,6 Мгц. Другий проект пропонує поступово нарощувати пропускну здатність системи cdmaOne**, переходячи від існуючої інфраструктури до технології cdma2000.

Що ж стосується двох інших пропозицій США – WCDMA NA (T1P1, США) і WIMS (TR-46.1), – то вони практично цілком збігаються з пропозиціями від Європи (UTRA) і Японії (WCDMA) і в процесі подальшого розгляду злилися в єдиний проект.

Інша особливість національного підходу США до проблеми 3-го покоління – зовсім відмінний від інших країн принцип розподілу частотного ресурсу. Частотне регулювання в США здійснюється за рахунок закріплення за операторами смуг частот, розпроданих з аукціону. Той, хто заплатив гроші, має повну волю у виборі типу використовуваного стандарту і термінів реалізації проекту.

Величезний ринковий потенціал Азіатсько-Тихоокеанського регіону з урахуванням великої чисельності населення став вирішальним фактором у визначенні стратегії розвитку мобільного зв'язку 3-го покоління. На цій території, віднесеної Регламентом радіозв'язку до Району 3, активну позицію займають кілька країн, у числі яких Японія, Корея, Китай і Малайзія, їхньої пропозиції по програмі ІМТ-2000 переконливо свідчать про прагнення цих країн до світового лідерства в масовому застосуванні новітніх технологій зв'язку. Незважаючи на те що кожна з них має свої національні особливості переходу до систем 3-го покоління, загальною рисою проектів є зсув акцентів убік власних виробників устаткування.

Південна Корея з 1991 р. активно бере участь у розробках і впровадженні мереж CDMA. Для неї міжнародні стандарти мобільного зв'язку, і насамперед майбутні стандарти ІМТ-2000, особливо важливі, тому що південнокорейські гіганти Samsung і Hyundai давно і послідовно реалізують свої плани скорення світового ринку. Виходячи з цього в її проектах головний упор був зроблений на виробництво устаткування CDMA. Усі ці фактори визначили загальну основу двох радикально розрізняються проектів стандартів для ІМТ-2000, що надійшли від цієї країни.

У Китаї орієнтуються на технологію GSM. Тому його проект заснований на використанні комбінованого методу доступу і сполученні технологій TDMA і CDMA.

Стратегії переходу до 3G-систем

У рамках концепції ІМТ-2000 припустимі дві стратегії переходу до 3G-системам: поступове (еволюційне) і «одномоментное» (революційне). Розглянемо ті переваги і недоліки, що таїть кожна з них (табл. 3).

Визначальний фактор	Еволюційний підхід	Революційний підхід
Метод використання частотного ресурсу	Робота в старих діапазонах	Освоєння нових діапазонів
Принцип надання послуг	Поступово розширюваний асортимент послуг	Нові послуги з початку розгортання
Пропускна здатність	Поступово нарощувана	Споконвічно висока
Стратегія створення мережної інфраструктури	Повільний і поступовий перехід від 2G до 3G у міру появи попиту на послуги	Створення досвідчених районів («острівців») з повним набором послуг
Технологічний рівень	Нові технології в окремих елементах	Усі технології – новітні
Архітектура мережі	Максимальне використання існуючої інфраструктури	Нова
Комерційний ризик	Низький	Високий
Склад операторів	В основному ті ж, що и у 2G	Оператори, що купили ліцензії на послуги 3G
Глобальний роумінг	З обмеженнями	Без обмежень
Капітальні витрати	Незначні	Значні

Таблиця 3. Дві стратегії впровадження послуг 3-го покоління мобільного зв'язку

Революція припускає упровадження всіх новітніх технологій і нових інтерфейсів, однак передбачає повну заміну існуючого устаткування і ПО, що сполучено з великими капітальними витратами і визначеним комерційним ризиком. Для відпрацьовування даної стратегії в різних районах світу вже створюються експериментальні мережі.

Один з найважливіших ознак, що принципово розділяють два підходи, – спосіб освоєння частотного ресурсу. При революційному сценарії потрібно новий частотний ресурс. Японія і Європа мають намір піти цим шляхом і виділити для систем 3-го покоління «індивідуальні» смуги радіочастот . Підхід у США абсолютно інший – там спектр, виділений для ІМТ-2000, уже зайнятий службою PCS і 3G-системи будуть працювати в старих смугах частот разом з існуючими мережами стандартів TDMA/AMPS. Еволюційне упровадження вимагає менших капітальних витрат і припускає плавну заміну устаткування в залежності від попиту на конкретні види послуг. Такий підхід дозволяє максимально використовувати існуючу інфраструктуру мережі зв'язку, упроваджуючи нові мережні елементи в процесі послідовної модернізації.

Прихильники двох найбільш масових технологій 2-го покоління -TDMA/AMPS і GSM – стали прихильниками еволюційного шляху розвитку. Сьогодні ці системи мають обмежені можливості по нарощуванню пропускної здатності і видам послуг у рамках виділеного частотного діапазону. Ріст їхньої ємності без додаткового розширення радіочастотного спектра можливий лише за рахунок переходу на напівшвидкісні канали (GSM), уведення багатосекторних антен чи використання спектрально-ефективних методів модуляції (8PSK і ін.).

Єдність і боротьба протилежностей

У боротьбі за лідерство при прийнятті світових стандартів 3-го покоління утворилися два табори, що оформилися у виді двох партнерських об'єднань: 3GPP і 3GPP2.

У перше об'єднання – 3GPP – входять ETSI (Європа), ARIB (Японія), Комітет ТІ (США), а також три регіональних органи стандартизації від Азіатсько-Тихоокеанського регіону – CWTS (Китай), ТТА (Корея) і ТТС (Японія). Важливо відзначити, що спільні позиції ETSI і ARIB повинні усталитися з впровадженням експериментальних мереж на базі WCDMA, активно розроблювальних за участю компаній DoCoMo, Ericsson і Nokia. Основний внесок партнерства 3GPP у програму ІМТ-2000 – гармонізація п'яти проектів: UTRA FDD (ETSI), WCDMA (ARIB), WCDMA NA (T1P1, США), WIMS (TR-46.1, США) і CDMA II (ТТА). Його учасники мають намір запропонувати два варіанти радіоінтерфейса. Перший – IMT-DS (ІМТ-2000 Direct Spread) – побудований на базі проектів WCDMA (UTRA FDD) із прямим розширенням спектра (DS-CDMA) і частотним дуплексним розносом (FDD), орієнтованим на використання в парних смугах частот. Інший тип радіоінтерфейса – – ІМТ-ТС (ІМТ-2000 Time-Code), представлений цим об'єднанням у МСЭ, заснований на кодово-тимчасовому поділі каналів TDMA/CDMA з тимчасовим дуплексним розносом (TDD) і призначений для організації зв'язку в непарних смугах частот. ІМТ-ТС фактично являє собою чисто формальне об'єднання двох різних технічних рішень – європейської пропозиції UTRA TDD і китайського TD-SCDMA.

З технічної точки зору основна відмінність варіантів IMT-DS і ІМТ-ТС від раніше надійшли в МСЭ пропозицій – у базової чипової швидкості. У цих проектах вона змінена з 4,096 Мчип/с на 3,84 Мчип/с (табл. 4).

Показник	Технологія
IMT-DS	ІМТ-МС	ІМТ-ТС	IMT-SC	IMT-FT
Автори технічних специфікацій	3GPP, ARIB, ETSI WCDM	3GPP2, TIA TR- 45,3	3GPP, ETSI	3GPP2, UWCC, CWTS	ETSI TIA TR – 45,3
Базова технологія	А, UTRA FDD	cdma2000	UTRA TDD TD-SCDMA	UWC-136	DECT EP
Метод доступу	DS- CDMA	MC-CDMA	TDMA/CDMA	TDMA	MC-TDMA
Дуплексний рознос	FDD	FDD	TDD	FDD	FDD/TDD
Чипова швидкість, Мчіп/с	3,84	3,6884	3,84 (UTRA) 1,28 (SCDMA)	Н/д	Н/д
Швидкість передачі, кбіт/с	Н/д	Н/д	Н/д	384; 2048	1152; 2304; 3456
Вид модуляції	QPSK/B PSK HPSK*	QPSK/B PSK	QPSK/BPSK HPSK*	BOQA M QOQA M	GFSK; p/2-DPSK p/4-DQPSK p/8-D8PSK
Довжина кадру, мс	10	5 і 20	10	4,6	10

Примітка. Н/д – немає даних. * HPSK (Hybrid Phase-Shift Keying) – гібридна фазова маніпуляція (відома також як OCQPSK).

Таблиця 4. Характеристики радіоінтерфейсів для ІМТ-2000

Абревіатура IMT-FT (ІМТ-2000 Frequency Time) привласнена проекту DECT ЕР, що надійшов від ETSI. Новий стандарт на мікростільникову систему DECT припускає застосування комбінованого частотно-тимчасового дуплексного розносу і призначений для роботи як у парних, так і в непарних смугах частот. У IMT-FT визначені три значення швидкостей передачі: 1,152; 2,304 і 3,456 Мбіт/с, реалізувати які можна за рахунок уведення нових методів модуляції p/2-DPSK, p/4-DQPSK і p/8-D8PSK відповідно. В друге партнерське об'єднання – 3GPP2 – входять Асоціація промисловості зв'язку ТІА (представлена підкомітетами ТІА TR-45.3 і ТІА

У рамках ETSI було розглянуто п'ять базових концепцій радиодоступа для систем 3-го покоління: -концепція (WB-CDMA), що базується на FMA2 і пропозиціях ряду японських фірм, -концепція (OFDMA), -концепція (WB-CDMA), заснована на FMA1 без розширення спектра, d-концепція (WB-TD-CDMA) на основі FMA1 з використанням спектра розширення і j-концепція (ODMA), див. таблицю.

Основні характеристики радіодоступу систем на базі UMTS

Показник	WB-CDMA (концепція а)	OFDMA (концепція b)	WB-CDMA (концепція g)	WB-TD- CDMA (концепція d)	ODMA (концепція е)
Метод доступу	DS-CDMA	SFH-TDMA, OFDM	TDMA	TDMA/CDMA	CDMA/TDMA
Рознос несучих	4,4 – 5,2 МГц (крок 200 кГц)	100 кГц (24 несучі)	1,6 МГц	1,6 МГц	1 і 4 МГц
Швидкість у радіоканалі	4,096 Мчип/с	4,17 кбіт/с	2,6 Мбіт/с на несучу	2,1667 Мбіт/с	0,8125 і 3,25 Мчіп/с

Проведене ETSI на початку 1998 р. голосування на вибір проекту серед країн Європи не дозволило виявити абсолютного переможця. Установлений при голосуванні поріг прийняття рішень у 71 % голосів жодним із претендентів перевищений не був. Але дві технології з п'яти одержали найбільше визнання: WB-CDMA для парних частотних смуг і TD-CDMA для непарних смуг. Вони і лягли в основу специфікації UTRA, представленої в МСЭ.

Послуги систем 3G

Принципова відмінність технології 3-го покоління від попередніх – можливість забезпечити весь спектр сучасних послуг (передачу мови, роботу в режимі комутації каналів і комутації пакетів взаємодія з додатками Internet, симетричну й асиметричну передачу інформації з високою якістю зв'язку) і в той же час гарантувати сумісність з існуючими системами. Говорячи про системи 3-го покоління, послуги прийнято поділяти на двох груп: немультимедійні (вузькополосная передача мови, низькошвидкісна передача даних, трафік мереж з комутацією) і мультимедійні (асиметричні й інтерактивні). Новою якістю цих систем є також те, що вони дозволяють компаніям-операторам самостійно розробляти додатка, функції і послуги, орієнтуючись на вимоги конкретного регіону і ріст попиту на визначені послуги.

Вивчення тенденцій розвитку мультимедійної рухомого зв'язку дозволяє прогнозувати значне збільшення числа її користувачів. За даними UMTS-форуму, з 200 млн абонентів Європи частка споживачів послуг зв'язку 3-го покоління в 2005 р. складе 16% (32 млн). Що ж стосується обсягу мультимедійного трафіка, те він вже в 2005 р. перевищить 60%, за умови, що тарифи будуть рости істотно повільніше, ніж трафік. Останні досягнення в області відеоконференц-зв’язку дозволяють затверджувати, що вона одержить широке поширення в системах 3-го покоління. Донедавна цей вид послуг був характерний в основному для мереж ISDN, що забезпечують швидкість передачі 144 кбіт/з (BRI) чи (з використанням трьох базових каналів BRI) до 384 кбіт/с. Стрімке зростання популярності Internet і бурхливий розвиток мобільного зв'язку дозволяє говорити про злиття в перспективі цих двох технологій. Сьогодні попит на відеконференц-зв’язку починає домінувати. Незважаючи на ряд проблем, зв'язаних з реалізацією високошвидкісного доступу до Internet з мобільного термінала, можна прогнозувати, що згодом дана послуга стане однієї з основних.

Аналіз тенденцій розподілу трафіка по регіонах, пророблений МСЭ, показує, що найбільший ріст обсягу послуг супутникових систем 3-го покоління очікується в Північній і Південній Америці, Японії й Азії. Що ж стосується Європи, те тут збільшення обсягу послуг супутникового зв'язку невелике через досягнення гарного покриття наземними мережами стільникового зв'язку, що уже «обплутали» практично всю Європу.

Послуги 3-го покоління включають сервіс, наданий технологією віртуального домашнього середовища VHE (Virtual Home Environment), її основна ідея складається в переносі індивідуального набору послуг через границі мереж з одного мережного термінала на іншій. Зовсім недавно ці послуги могли забезпечити тільки технології фіксованого зв'язку. Користувач одержує ті ж самі можливості, інтерфейс і послуги незалежно від того, якою мережею він користається в даний момент. Завдяки ІМТ-2000 стане можливої передача відеозображень і мультимедійних даних у режимі реального часу, що дозволить створити ефект присутності для абонента, що знаходиться на великому видаленні від місця подій.

Однак мобільним абонентам рано радуватися: будучи зв'язана зі значними технологічними труднощами, така послуга обійдеться недешево. Прогнози показують, що визначальною тенденцією процесу конвергенції, що почався, послуг фіксованого і мобільного зв'язку стане злиття мобільного зв'язку з іншими технологіями. Стільникові телефони з «електронним компасом» для визначення місця розташування незабаром стануть незамінними помічниками автомобілістів. Але найбільших успіхів варто очікувати в області електронної комерції. Буде значно розширений обсяг банківських послуг, одержуваних безпосередньо за допомогою мобільного телефону. У їхнє число ввійдуть платні інформаційно-довідкові послуги, різні види електронних платежів (оплата авіаквитків, паркувань) і банківських операцій з портативних чи мобільних стільникових телефонів, що перетворить їхній фактично в «кишенькові банкомати».

2. Особливості радіоканалів мобільної системи радіозв’язку.

Принципи кодового розділу каналів

Принципи кодового розділу каналів зв'язку (CDMA – Code Division Multiple Access) засновані на використанні широкосмугових сигналів (ШПС), смуга яких значно перевищує смугу частот, необхідну для звичайної передачі повідомлень, наприклад, в вузькосмугових системах з частотним поділом каналів (FDMA). Основною характеристикою ШПС є база сигналу, обумовлена як добуток ширини його спектра F на його тривалість Т:

В = F * Т.

У цифрових системах зв'язку, що передають інформацію у виді двійкових символів, тривалість ШПС Т и швидкість передачі повідомлень С зв'язані співвідношенням Т = 1/С. Тому база сигналу В = Р/С характеризує розширення спектра ШПС щодо спектра повідомлення. Розширення спектра частот переданих цифрових повідомлень може здійснюватися двома методами чи їхньою комбінацією: