Загальна характеристика стандартів мобільних систем зв'язку третього покоління

Сучасний етап розвитку телекомунікацій характеризується не тільки безперервним збільшенням кількості користувачів, але і зростаючими вимогами до спектра послуг зв'язку. У цей час зросла необхідність у забезпеченні високошвидкісного інформаційного обміну між абонентами без обмеження свободи їхнього переміщення, забезпеченні передачі інформації будь-якого формату: звичайні телефонні розмови, комп'ютерні файли, факсимільні, мультимедійні та аудіовізуальні повідомлення, Internet-пакети, електронна пошта тощо. Зростання кількісного та якісного рівня послуг, які запитуються абонентами, неможливо забезпечити без значного підвищення швидкості передачі з одночасним підвищенням спектральної ефективності систем мобільного зв'язку.

Мобільні системи перших двох поколінь вже не здатні повною мірою задовольняти цим вимогам. Виділені смуги частот мобільним системам зв'язку виявляються вже недостатніми для обслуговування реальної кількості абонентів, незважаючи на багаторазове повторне використання частот на базових станціях, віддалених одна від одної на захисні відстані. Підвищення абонентської ємності шляхом зменшення радіуса дії комірок до 0,1...0,3 км, побудова мережі на основі малорозмірних кластерів, перехід до динамічного розподілу каналів, напівшвидкісному режиму передачі призводить до збільшення кількості базових станцій, ускладнює управління мережею, знижує такі якісні показники мережі, як ймовірність і надійність.

Відзначені труднощі збільшуються великої кількісті стандартів і їхньою несумісністю. Існування великої кількості роз'єднаних мобільних мереж на фоні тенденції до економічної інтеграції вимагали створення єдиного стандарту, здатного забезпечити абонентам свободу переміщення і збереження обслуговування в будь-якій мережі незалежно від місця її розгортання. Основна вимога – різноманітність послуг і функцій. Передумовами стали – освоєння діапазону 2000 МГц, розробка ефективних протоколів наземних і супутникових систем, створення універсальних інтерфейсів. Важливою вимогою була сумісність, оскільки ставилося завдання побудови глобальної системи мобільного зв'язку.

За пропозицією ITU-R (МСЕ) з 1985 р. було почато обговорення проекту створення наземної системи мобільного зв'язку загального користування майбутнього (FPLMTS). Нова концепція в рамках FPLMTS була прийнята в 1997 р. за назвою IMT-2000 (International Mobile Telephone). Проект IMT-2000 – це довгострокова програма розробки, стандартизації і сприяння впровадженню національних, регіональних і міжнародних телекомунікаційних систем, які реалізують повний набір послуг в інтересах наземного і супутникового мобільного зв'язку.

Терміном 3G прийнято позначати наступне покоління мобільних систем і їхніх можливостей (підвищена ємність і функціональність, що позначає новітні послуги і додатки, які включають мультимедіа). Системи третього покоління (3G) відрізняються від систем другого покоління (2G), таких як, наприклад, GSM, і перехідного покоління (2,5G), таких як, наприклад, GPRS, EDGE – набагато більшою швидкістю передачі даних, а також більш широкою і більш високою якістю надання послуг. Ці системи забезпечують симетричну й асиметричну передачу даних, підтримку канальної і пакетної комутації для забезпечення таких сервісів як Internet Protocol (IP) і Real Time Video, високу ефективність використання спектра частот, можливість глобального роумінгу. Серед найважливіших вимог IMT-2000 визначають:

-глобальний роумінг;

-поєднання канальної комутації даних і комутації пакетів;

-ефективне використання спектра;

-передача мови, даних і мультимедійних послуг;

-якість мови, порівняна з провідним;

-висока швидкість передачі даних;

-поетапне підвищення швидкості передачі даних до 2 Мбіт/с;

-високий ступінь захисту інформації;

-взаємозв`язок із супутниковими системами.

Вже на перших етапах розвитку системи 3-го покоління мають забезпечувати певні значення швидкості передачі для різних ступенів мобільності абонента (тобто різних швидкостей його руху) залежно від величини зони покриття:

-до 2048 кбіт/с у мікро- і пікосотах;

-до 348 кбіт/с – для пішоходів;

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

-до 64 кбіт/с при глобальному роумінзі (супутниковий зв'язок).

Спочатку в рамках IMT-2000 планувалося створення єдиного стандарту універсальної системи мобільного зв'язку, проте, згодом сукупність географічних, історичних і комерційних причин призвела до того, що було висунуто декілька концепцій системи 3G. Тим більш, що зараз створення мобільної станції, що працює в декількох стандартах, не є проблемою.

Дотепер для реалізації систем 3G запропоновано декілька проектів.

На вибір радіоінтерфейсу для систем IMT-2000 значно вплинули успіхи систем другого покоління стандарту GSM у європейському регіоні і стандартів IS-136 і IS-95 у північноамериканському регіоні.

У рамках власної програми розробки систем 3G в Європі прийняті стандарти:

– UTRA (W-CDMA – високошвидкісні і мультимедійні послуги зв'язку та сумісність, що забезпечує CDMA, з GSM). Цей європейський стандарт, розроблений ETSI, багато в чому збігається з W-CDMA (ARIB);

– DECT EP – розширений стандарт мікро-стільникової системи;

– SW-CDMA – для супутникового зв'язку на базі технології UTRA/FDD.

В США розроблені власні стандарти для систем мобільного зв'язку:

– UWC-136 (Universal Wireless Communications – універсальна бездротова мережа), яка використовує TDMA і має у своїй основі стандарт IS-136 (D-AMPS);

- cdma-2000, що є розвитком стандарту IS-95. У стандарті cdma-2000 передбачене використання в прямому каналі (передача від БС до АС) режиму з декількома несучими. У каналі із шириною смуги частот 5 МГц розміщуються три несучі. Сигнал, переданий на кожній з несучих, за своїми параметрами відповідає вимогам стандарту IS-95.

Японія висунула свій високотехнологічний стандарт W-CDMA (ARIB).

Південна Корея запропонувала три стандарти:

– CDMA-I – синхронної DS-CDMA на базі 3,6884 Мбіт/с;

– CDMA-II – асинхронний DS-CDMA на базі 4,096 Мбіт/с;

– SAT-CDMA – для супутникового зв'язку.

Китай розробив свій проект TD-SCDMA (Time Division Synchronous CDMA).

Загальна архітектура систем 3-го покоління (рис. 6.1) містить у собі дві частини: мережі радіо-доступу (стандарти радіо-інтерфейсу) і базові мережі.

В IMT-2000 пропонується використовувати три типи магістральних базових мереж: GSM MAP (Європа), ANSI-41 (США) і універсальні мережі з IP-протоколом. Глобальний роумінг між трьома мережами має здійснюватися через міжмережний інтерфейс NNI. Для реалізації глобального роумінгу необхідні багаторежимні термінали, а мережі мають містити конвертори або міжмережні шлюзи.

В IMT-2000 пропонується використовувати три типи магістральних базових мереж: GSM MAP (Європа), ANSI-41 (США) і універсальні мережі з IP-протоколом.

Глобальний роумінг між трьома мережами має здійснюватися через міжмережний інтерфейс NNI. Для реалізації глобального роумінгу необхідні багаторежимні термінали, а мережі мають містити конвертори або міжмережні шлюзи.

Рисунок 6.1 – Архітектура систем мобільного зв'язку 3-го покоління

Нині до складу сімейства мереж радіодоступу входять п'ять стандартів:

-IMT DS, відомий як широкосмуговий CDMA, або WCDMA (UTRA FDD);

-IMT TC, відомий як UTRA TDD або TD-SCDMA;

-IMT MC, відомий як cdma-2000;

-IMT SC, відомий як UWC-136 або EDGE;

-IMT FT, відомий як DECT.

Три з п'яти стандартів (IMT-DS, IMT-TC, IMT-MC) засновані на технології CDMA, а два (IMT-SC, IMT-FT) – на технології TDMA.

Відповідно до концепції IMT-2000 у системах 3-го покоління передбачається використовувати два методи дуплексного рознесення: FDD для застосування в парних смугах частот і TDD – у непарних. У режимі FDD як базовий варіант обраний метод радіодоступу WCDMA, а в режимі TDD – метод TD-CDMA (пропозиція UTRA TDD). При чіповій швидкості 3,84 Мбіт/с (базова швидкість) мінімально необхідна смуга для роботи системи 3-го покоління дорівнює 2х5 МГц (FDD) і 5 МГц (TDD).

Технічні характеристики радіоінтерфейсів IMT-2000 наведені в табл. 6.1.

Таблиця 6.1 – Характеристики радіоінтерфейсів IMT-2000

Розглянемо їх загальну характеристику.

Радіоінтерфейс IMT-DS (IMT-2000 DS) створений на базі проектів WCDMA (UTRA FDD) з прямим розширенням спектра (DS-CDMA) і частотним дуплексним рознесенням (FDD) для застосування у парних смугах частот (об'єднана пропозиція UTRA-FDD і W-CDMA). Близькими за принципами побудови і параметрами до радіоінтерфейсу IMT-DS є стандарти WIMS, WCDMA NA (США), WCDMA (Японія) і CDMA II (П. Корея).

Радіоінтерфейс IMT-TC (IMT-2000 TC) являє собою стандарт на комбіновану систему з багатостанційним доступом TDMA/CDMA з часовим дуплексним рознесенням (TDD) для застосування у непарних смугах частот (об'єднана пропозиція UTRA TDD та TD-SCDMA). TD-SCDMA – китайський проект системи 3-го покоління, розроблений на основі багатостанційного доступу із синхронним кодовим поділом каналів.

Радіоінтерфейс IMT-MC створений на основі стандартів cdma-2000 (США) і CDMA-I (П. Корея), які передбачають еволюційний перехід від існуючого стандарту cdma- Ona (IS-95) і його модифікацій до широкосмугової багаточастотної CDMA системи. Модульовані символи ущільнюються на декількох несучих з шириною спектра 1,25 МГц на кожній з них. Базова смуга частот 3,75 (3х1,25) МГц, а чіпова – 3,6864 (3х1,2288) МГц/с. Отже, у системах стандарту IMT-MC використовується комбінований доступ з частотно-кодовим розподілом каналів, при котрому високошвидкісний потік даних розбивається на декілька потоків зі зниженою швидкістю, кожен з яких передається на своїй несучій з кодовим розподілом каналів (з прямим розширенням спектра).

Радіоінтерфейс IMT-SC створений на базі стандарту IS-136 (D-AMPS) і передбачає його еволюційний розвиток. Передбачено три етапи розвитку цього стандарту:

-IS-136+ (GPRS) – без розширення смуги частот каналу 30 кГц;

-IS-136 HS O/V – з шириною смуги частот каналу 200 кГц;

-IS-136 HSI – з шириною смуги каналу 1600 кГц.

Використання смуги частот 200 кГц у поєднанні з багаторівневою модуляцією (8PSK) дозволяє забезпечити передачу зі швидкостями 144 і 384 кбіт/с, а використання смуги 1600 кГц – передачу зі швидкістю до 2 Мбіт/с.

Радіоінтерфейс IMT-FT (IMT-2000 Frequency Time) – це нова абревіатура системи радіодоступу DECT-EP. Стандарт DECT (цифрова вдосконалена бездротова мережа) прийнятий ETSI у 1995 р. Стандарт DECT описує технологію організації мікро-стільникових мереж для зон з високою щільністю абонентів (порядку 100 тис. абонентів/км²). Одна з важливих переваг стандарту – він не вимагає частотного планування. Вибір робочої частоти проходить у процесі регулярного сканування всіх доступних частот, при цьому вільні робочі канали вибираються в динамічному режимі. У стандарті IMT-FT на мікро-стільникову систему DECT передбачене використання комбінованого частотно-часового дуплексного рознесення як у парних, так і в непарних смугах частот. У варіанті IMT-FT запропоновані три градації швидкостей передачі: 1,152; 2,034 і 3,456 Мбіт/с. Така можливість реалізується за рахунок використання методів модуляції -DPSK; -DQPSK і -D8PSK.

Європейські оператори і виробники устаткування для систем мобільного зв'язку прагнуть забезпечити плавний перехід від систем 2-го покоління до систем 3-го покоління шляхом еволюції систем GSM. У цьому випадку вибір радіоінтерфейса зводиться до вибору смуги радіочастот, методів модуляції, завадостійкого кодування, типів каналів, структури кадрів, протоколів доступу, алгоритмів управління. Роботи в цьому напрямку зосереджені в Європейському інституті стандартизації в області телекомунікацій (ETSI).

Розглянемо еволюцію систем з технологіями TDMA і CDMA.