Технология 3G. Перспективы развития в России

курсовая работа

Принципы работы технологии 3G

Концепция систем 3-го поколения нацелена на создание условий для предоставления услуг мультимедиа, включая высокоскоростную передачу информации, видео и речи, факсимильных сообщений и данных любому абоненту с помощью мобильного терминала, имеющего единый номер. Стоимость услуги должна быть минимальна при приемлемом качестве и уровне безопасности. Главная цель разработки систем 3-го поколения - удовлетворение потребности массового рынка в персональной связи, и ее достижение будет зависеть как от тарифов для сетей общего пользования, так и от стоимости абонентского терминала. Программа IMT-2000 базируется на ряде признаков, определяющих принципы построения систем 3-го поколения и их архитектуру. Уже на первом этапе развертывания они должны обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т.е. разных скоростей его движения) в зависимости от величины зоны покрытия:

до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия;

до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;

до 64 (144) кбит/с при глобальном покрытии (спутниковая связь).

Рисунок 2 -Эволюция поколения третьего поколения

Что же касается набора услуг, то он фактически приближается к предоставляемому в сетях фиксированной связи. Это и высокоскоростной доступ в Internet, и мультимедиа (таблица 2). Архитектура систем включает два основных элемента: cетевую инфраструктуру (Access Network) и магистральные базовые сети (Core Network). Такая структура обеспечивает возможность наращивания инфраструктуры путем последовательной модификации ее составных элементов.

Таблица 2 - Услуги систем третьего поколения

В июне 1998 г. в МСЭ (ITU) -- Международный Союз Электросвязи, поступило 10 предложений по проектам стандартов наземной связи, восемь из которых разработаны на базе технологии CDMA и два - на основе TDMA (таблица 3). Проекты заявлены от трех крупных регионов мира - Северной Америки, Европы и Азиатско-Тихоокеанского - и отражают "национальные" различия в технологиях и путях перехода к системам подвижной связи 3-го поколения.

Таблица 3 - Проекты стандартов сухопутной подвижной связи

В Европе сумели выработать единую политику перехода к 3-му поколению, скоординировав деятельность всех европейских стран, в результате чего количество ее проектов ограничилось двумя: UTRA и DECT EP.

Однако следует отметить, что представленные в МСЭ проекты не исчерпывали всех возможных путей создания новых технологий. Так, в число заявленных стандартов не попали предложения по совершенствованию GSM, которые развиваются ETSI на базе новых технологий GSM-400, HSCSD, GPRS и EDGE. Но, по мнению заявителей, технологии GPRS и EDGE представляют собой всего лишь платформу, удобную для внедрения услуг UMTS/IMT-2000.

В США, в отличие от Европы, отказались от единого национального предложения и представили целых четыре проекта, два из которых подготовлены не институтами по стандартизации типа ANSI или TIA, а промышленными фирмами Qualcomm и Ericsson (Северо-Американским отделением) и могут считаться корпоративными.

Предложения США означают три пути развития для 3G-систем.

Первый из них основан на дальнейшем совершенствовании технологии TDMA*/AMPS, получившей широкое развитие не только в США, но и в мире. Этот стандарт предполагает использование мобильных терминалов с речевым кодеком VSELP (8 кбит/с), пакетную передачу данных CDPD (19,2 кбит/с), передачу коротких сообщений (SMS), факсимильную передачу (группа G3) и т. п. Концепция построения системы 3-го поколения на базе стандарта IS-136 изложена в проекте стандарта UWC-136 RTT, предложенном техническим подкомитетом TR-45.3 (США). Данный проект предполагает совершенствование стандарта TDMA в три этапа, на каждом используется три разных типа радиочастотных каналов: IS-136+ (без расширения полосы канала 30 кГц), IS-136 HS (Outdoor/Vehicular) с шириной полосы канала 200 кГц и IS-136 HS (Indoor Office) с шириной полосы канала 1,6 МГц.

Второй проект предлагает постепенно наращивать пропускную способность системы cdmaOne, переходя от существующей инфраструктуры к технологии cdma2000. Что же касается двух других предложений США -WCDMA NA (T1P1, США) и WIMS (TR-46.1), - то они практически полностью совпадают с предложениями от Европы (UTRA) и Японии (WCDMA) и в процессе дальнейшего рассмотрения слились в единый проект.

Другая особенность национального подхода США к проблеме третьего поколения - совершенно отличный от других стран принцип распределения частотного ресурса. Частотное регулирование в США осуществляется за счет закрепления за операторами полос частот, распроданных с аукциона.

Огромный рыночный потенциал Азиатско-Тихоокеанского региона с учетом большой численности населения стал решающим фактором в определении стратегии развития мобильной связи третьего поколения. На этой территории, отнесенной Регламентом радиосвязи к Району 3, активную позицию занимают несколько стран, в числе которых Япония, Корея, Китай и Малайзия. Их предложения по программе IMT-2000 убедительно свидетельствуют о стремлении этих стран к мировому лидерству в массовом применении новейших технологий связи. Несмотря на то, что каждая из них имеет свои национальные особенности перехода к системам третьего поколения, общей чертой проектов является смещение акцентов в сторону собственных производителей оборудования.

Южная Корея с 1991 г. активно участвует в разработках и внедрении сетей CDMA. Для нее международные стандарты мобильной связи, и будущие стандарты IMT-2000 важны, так как крупные южнокорейские фирмы Samsung и Hyundai давно и последовательно реализуют свои планы на мировом рынке. Исходя из этого, главный упор был сделан на производство оборудования CDMA. Все эти факторы определили общую основу двух радикально различающихся проектов стандартов для IMT-2000, поступивших от этой страны.

В Китае ориентируются на технологию GSM. Поэтому проект основан на использовании комбинированного метода доступа и сочетании технологий TDMA и CDMA.

В рамках концепции IMT-2000 допустимы две стратегии перехода к 3G-системам: постепенное (эволюционное) и "одномоментное" (революционное) (таблица 4).

При революционном подходе предполагалось внедрение всех новейших технологий и новых интерфейсов и полная замена существующего оборудования и ПО, что сопряжено с большими капитальными затратами и определенным коммерческим риском. Для отработки данной стратегии в разных районах мира, в том числе и в России, созданы экспериментальные сети.

Таблица 4 - Две стратегии внедрения услуг третьего поколения мобильной связи

Один из важнейших признаков, принципиально отличающих два подхода, - способы освоения частотного ресурса. При революционном сценарии требуется новый частотный ресурс. Япония и Европа выделили для систем третьего поколения "индивидуальные" полосы радиочастот.

В США подход абсолютно иной - спектр, выделенный для IMT-2000, уже занят службой PCS и 3G-системы будут работать в старых полосах частот вместе с существующими сетями стандартов TDMA/AMPS.

Эволюционное внедрение 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.

Естественно, что операторы систем двух наиболее массовых технологий - TDMA/AMPS и GSM - стали сторонниками эволюционного пути развития. Эти системы 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 полускоростные каналы (GSM), введения многосекторных антенн или использования спектрально-эффективных методов модуляции (8PSK и др.).

При принятии мировых стандартов третьего поколения образовались два партнерских объединения: 3GPP и 3GPP2.

В первое объединение - 3GPP - входят ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет T1 (США), а также три региональных органа стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона - CWTS (Китай), TTA (Корея) и TTC (Япония). Важно отметить, что совместные позиции ETSI и ARIB должны упрочиться с внедрением экспериментальных сетей на базе WCDMA, активно разрабатываемых с участием компаний DoCoMo, Ericsson и Nokia.

Основной вклад партнерства 3GPP в программу IMT-2000 - гармонизация пяти проектов: UTRA FDD (ETSI), WCDMA (ARIB), WCDMA NA (T1P1, США), WIMS (TR-46.1, США) и CDMA II (TTA). Его участники предложили два варианта радиоинтерфейса. Первый - IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) - построен на базе проектов WCDMA (UTRA FDD) с прямым расширением спектра (DS- CDMA ) и частотным дуплексным разносом (FDD), ориентированным на использование в парных полосах частот.

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 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 - в базовой чиповой скорости. В этих проектах она изменена с 4,096 Мчип/с на 3,84 Мчип/с (таблица 5).

Таблица 5. Характеристики радиоинтерфейсов для IMT-2000

Примечание: Н/д - нет данных.

* HPSK (Hybrid Phase-Shift Keying) - гибридная фазовая манипуляция (известная также как OCQPSK).

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 второго 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), (таблица 5).

Первый из них - IMT-MC - 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.

Структура радиоинтерфейсов для IMT-2000:

Наиболее вероятно, что в странах с развитой телекоммуникационной инфраструктурой переход к третьему поколению происходило путем совершенствования существующих сетей и внедрения технологий предоставления новых услуг по мере появления спроса.

Очевидно, что рыночные факторы и особенности региональных рынков Европы, Северной Америки и Азии препятствовали быстрому переходу от существующих технологий к стандартам третьего поколения. Этап внедрения новых технологий продлился не менее четырех лет (2002-2005 гг.), а совместное существование систем второго и третьего поколений - до 2010 г.

Япония и азиатские рынки стали первыми массовыми полигонами, где новые технологии были испытаны уже к 2002 г., что повлияло не только на структуру мирового рынка мобильной связи, но и на сами стандарты.

В соответствии с концепцией IMT-2000 в системах третьего 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 предназначен для работы в пико- и микросотах, т.єе. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.

Характеристики систем WCDMA FDD и UTRA TDD представлены в таблицеє6. Безусловно, у систем 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.

При дуплексной передаче с частотным разделением - FDD - число каналов в линиях "вниз" и "вверх", 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 были приняты для режима TDD в других проектах наземных систем подвижной связи третьего поколения.

Необходимость совместимости режимов TDD и FDD требует реализации простых и дешевых двухрежимных FDD/TDD-терминалов. Это возможно благодаря использованию одних и тех же микросхем как в двух-, так и в однорежимных радиотелефонах. При этом двухрежимное абонентское устройство FDD/TDD 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 несёт информацию о совпадении основных свойств UTRA TDD и WCDMA FDD (набор протоколов верхних уровней, услуги для прикладных служб и др.).

Таблица 6. Сравнительные характеристики систем WCDMA FDD и UTRA TDD

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.

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, означает и смену идеологии построения этих сетей. Магистральные сети более "инерционны". В них инвестированы значительные средства, которые операторы желают сохранить при переходе к третьему поколению. Кроме того, существующие базовые сети не являются сдерживающим фактором для внедрения современных ЗG-услуг. Поэтому их инфраструктура развивалась эволюционным путем, опираясь на существующие сети GSM, TDMA (IS-136), IP, IN и ISDN, что подтверждают и исследования, проведенные в рамках IMT-2000.

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 второго 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.

Важнее всего дать возможность всем операторам действующих сетей использовать существующую инфраструктуру при реализации набора новых услуг IMT-2000. В связи с этим МСЭ начало 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.

Делись добром ;)