Введение
В 1946 году Уильям Янг предложил строить сети маломощных передатчиков, использующих один и тот же диапазон частот. Коммутация между всеми передатчи-ками, должна была осуществляться централизованно. Идея осуществилась в 1969 году, когда вступила в эксплуатацию радиотелефонная сеть в окрестностях Фила-дельфии на частоте 450 МГц.
Днем рождения сотовой связи принято считать 3 апреля 1973 года. В этот день, прогуливаясь по улицам Манхэттена, Мартин Купер сделал первый звонок по со-товому телефону. Этот первый телефон весил около килограмма, и, не смотря на хорошую маркетинговую акцию, впереди еще была большая долгая работа по вы-воду продукта на рынок.
В продажу первый, сертифицированный Федеральной комиссией по коммуника-циям (США) коммерческий сотовый телефон поступил спустя 10 лет после знаме-нитого звонка Купера. Он стоил около четырех тысяч долларов, но цена не сму-щала потребителей, в очередь на его приобретение записывались тысячи амери-канцев.
Первая сотовая сеть заработала в США в 1983 году, а в Европе сотовая связь поя-вилась в 1981-м, в Скандинавии. Позднее практически каждая европейская дер-жава внедрила свою сотовую сеть, и в итоге в Европе оказалось 9 несовместимых между собой стандартов. В США же годом ранее приняли другой цифровой стан-дарт, а Япония пошла своим, независимым путем.
В итоге в начале 1990-х годов на планете существовало несколько стандартов со-товой связи, что делало весьма неудобными путешествия с одного континента на другой — привыкнув за несколько лет пользоваться удобной беспроводной свя-зью, человечество уже не мыслит себе жизнь без сотового телефона. Сети сото-вой связи хотели приспособить под передачу не только голоса, но и данных.
Возникновение стандарта GSM
Аналоговые сотовые телефонные системы начали очень быстро развиваться и по-лучать широкое распространение в начале 80-х годов в Скандинавии, Великобри-тании, Франции и Германии. В каждой стране разрабатывалась своя собственная система, несовместимая (в смысле оборудования и производимых операций) с ос-тальными. Мобильное оборудование могло быть использовано только в пределах одной страны, рынок сбыта для каждого типа оборудования был очень ограничен.
В 1982 году Conference of European Posts and Telegraphs сформировала группу (Group Special Mobile) по изучению и разработке Общеевропейской наземной мо-бильной системы общественного пользования (pan-European public land mobile system). Предложенная система должна была удовлетворять следующим требова-ниям:
В 1989 году группа перешла в ведение ETSI (European Telecommunication Standards Institute), и в 1990 году была опубликована первая серия спецификаций GSM. Коммерческое использование GSM началось в середине 1991 года, и к 1993 году уже существовало 36 сетей GSM в 22 странах, и еще около 25 стран принимали GSM в качестве стандарта. Будучи стандартизованным в Европе, GSM не является только европейским стандартом: сети GSM (включая DCS1800 и PCS1900) функцио-нируют или уже спланированы в более чем 80 странах мира. К началу 1994 года более 1.3 миллиона человек являлись пользователями GSM. Только в Европе за 1995 год число пользователей GSM выросло с 5 миллионов человек в начале года, до более чем 10 миллионов человек в конце. С некоторым опозданием к стандар-ту присоединилась и Северная Америка (ответвление GSM - PCS1900). И в настоя-щее время GSM расшифровывается как Global System for Mobile Communications.
Разработчики GSM выбрали не опробованную (на тот момент) цифровую систему как альтернативу аналоговым сотовым системам, таким как AMPS в Соединенных Штатах или TACS в Великобритании. Они поверили в то, что при помощи алгорит-мов упаковки и цифровых сигнальных устройств управления коммуникациями об-легчатся задачи обеспечения качества и понижения стоимости связи и услуг.
С одной стороны, рекомендации GSM составляются так, чтобы предоставить про-изводителям максимальную свободу в развитии системы, а, с другой, - гаранти-ровать корректное взаимодействие между различными компонентами системы. Это достигается предоставлением описаний интерфейсов и функций каждой функциональной сущности, определенной в системе.
Попытаемся в двух словах сформулировать основные преимущества GSM перед уже существующими аналоговыми системами:
Всеобщая мобильность: Абоненту имеет возможность использовать все преиму-щества пан-европейской системы (Pan-European System), позволяющей ему зво-нить откуда угодно и куда угодно (в рамках областей, находящихся в сфере услуг сотовых GSM сетей), используя один и тот же телефонный номер, даже находясь вне области проживания. Его собеседник не обязан быть информирован о место-нахождении абонента, поскольку сама сеть GSM отвечает за корректное нахожде-ние абонента. С помощью своей персональной карточки абонент может использо-вать и другие мобильные средства связи (например, телефон в арендованной ма-шине), даже во время путешествий за пределы своего места проживания.
Высокое качество передачи и оптимальное выделение спектра: В старых ана-логовых сотовых сетях нередко возникали проблемы качества передачи, в осо-бенности в городских районах. Посредством более эффективного использования выделенной для радиопередач частотной полосы и уменьшенных размеров сот, система GSM в состоянии обслуживать значительно большее число абонентов. Оп-тимальное использование доступного спектра достигается посредством примене-ния методов разделения времени и частоты (Frequency Division Multiple Access - FDMA, Time Division Multiple Access - TDMA), эффективного полно скоростного (full-rate) и полу скоростного(half-rate) кодирования речи и с помощью исполь-зуемой схемы модуляции, так называемой Гауссовой Минимальной Манипуляции (GMSK - Gaussian Minimum Shift Keyng).
Секретность: Методы обеспечения секретности, стандартизованные для GSM сис-тем, позволяют сказать, что системы GSM в данный момент являются наиболее секретными из всех доступных сотовых телекоммуникационных систем. Хотя кон-фиденциальность разговоров и анонимность абонента GSM гарантируется только в пределах радио соединения, это несомненно огромный шаг в сторону достижения “полной” (по всему пути прохождения информации) секретности. Анонимность абонента обеспечивается использованием временных идентификационных номе-ров. Собственно конфиденциальность связи по радио соединению обеспечивается применением алгоритмов шифрования и переходов по частотам (Frequency Hop-ping), которые могут применяться только в цифровых системах.
Услуги: Список услуг, предоставляемых абонентам GSM обычно включает в себя собственно разговор, факсимильные услуги, голосовую почту, передачу коротких сообщений, передачу данных и дополнительные услуги, такие как, например, пе-реадресация вызова.
Эволюция стандарта
Когда в 1991 г. появились первые сети GSM (Под аббревиатурой GSM будем подра-зумевать любые системы, основанные на технологии GSM, такие как GSM-900, DCS-1800 и PCS-1900.), главное внимание уделялось обеспечению ими услуг рече-вой связи на достойном уровне по сравнению с существовавшими тогда аналого-выми сотовыми системами. Однако уже с самого начала технология GSM была способна предложить несколько новых видов услуг, которые незамедлительно привлекли внимание определенной категории пользователей. Наиболее сущест-венными нововведениями стали возможности шифрования передаваемой инфор-мации и роуминга по всей Европе.
Шифрование привлекло к GSM многих бизнесменов, которые впервые смогли ак-тивно использовать сотовую связь. Роуминг же заинтересовал тех, кому приходи-лось часто путешествовать и кто хотел пользоваться одной-единственной теле-фонной трубкой в любой точке Европы. В то же время в базовой области голосо-вой связи GSM предложила две группы дополнительных услуг: перенаправление и запрещение звонков.
Следующим шагом развития GSM было введение услуг пересылки коротких сооб-щений (Short Message Service , SMS) и передачи данных. Сначала возможности ус-луг SMS ограничивались уведомлением о поступлении сообщения в ящик голосо-вой почты. И только недавно, начиная с 1995 г., сервис SMS стал расширяться. Се-годн пользователи систем GSM имеют возможность посылать друг другу короткие сообщени непосредственно с телефонной трубки или через компьютерные сети. Период с конца 1994 г. до начала 1995 г. время бурного развития услуг передачи данных. Это было обусловлено появлением привлекательных радиотелефонов и тем, что значительное число сетей GSM стали способны поддерживать такие услу-ги. Сегодня абоненты сетей GSM могут воспользоваться услугами мобильного мо-дема/ факса со скоростью передачи данных до 9,6 Кбит/с. Широкое распростра-нение портативных ПК позволяет абонентам сетей GSM получать доступ к компью-терным системам их офисов, а также посылать и принимать сообщения электрон-ной почты через сети GSM.
Изначально развитие GSM планировалось таким образом, что любая новая услуга или техническое новшество должны были вводиться одновременно во всех сетях GSM. Это привело к так называемому поэтапному развитию GSM. Введение в строй сетей GSM в 1991 г. было, фактически, первым этапом (phase 1). Второй этап (phase 2) развития GSM (его завершение - 1996 г.) обеспечил такие дополнитель-ные услуги, как, скажем, определение номера вызывающего абонента, удержа-ние линии, групповой вызов, определение закрытой группы абонентов, выдача информации о плате за разговор. Этот этап также предполагает расширение по-лосы пропускания для систем GSM-900. Другое важное новшество, которое реали-зовано вскоре после завершения второго этапа, - кодирование речи с половинной скоростью. Этот шаг направлен на увеличение пропускной способности систем GSM.
Следующий после второго этапа - этап 2+ (phase 2+), характеризующийся тем, что новые функциональные возможности будут стандартизироваться и внедряться сразу же после подготовки их технических описаний. В Европейском институте стандартизации электросвязи (ETSI) сейчас ведется работа над 60 предложениями для GSM этапа 2+, среди которых:
Эта стать главным образом касается наиболее существенных деталей GSM этапа 2+ и освещает возможные направления развития GSM на пути к третьему поколе-нию сотовых систем.
Развитие каналов передачи речи
Заложив фундамент технологии GSM, стандарты первого этапа обеспечили достаточно гибкую платформу для дальнейшего развития каналов передачи речи GSM. Первоначаль-но для кодирования речи в GSM был выбран метод RPE-LTP (Regular Pulse Excitation , Lin-ear Predictive Coding), определяющий преобразование речевого сигнала в битовый поток со скоростью 13 Кбит/с. Этот выбор был сделан еще в 1987 г., когда уровень технологии кодирования речи с низкой скоростью битового потока был далек от современного. Одна-ко, как показало время, метод кодирования был выбран достаточно разумно. В других стандартах сотовых сетей второго поколения, таких как японский PDC, североамерикан-ские TDMA и CDMA, отправной точкой послужило кодирование с существенно более низ-кой выходной скоростью битового потока. Вообще говоря, более низкая скорость часто означает также и более низкое качество. А пользователи не очень хорошо относятся к низкому качеству речи в цифровых сотовых сетях. Тот факт, что некоторые системы пе-редают речь с низким качеством, плохо повлиял на имидж всех цифровых сотовых сис-тем второго поколения, включая GSM, поскольку, многие до сих пор считают, что про-блема с качеством речи является общей для всех цифровых сотовых систем.
Сейчас, когда стало очевидным, что системы GSM имеют коммерческий успех, самое время продолжить совершенствование технологии передачи речи, а также начать разработку стандартов, повышающих гибкость и производительность сис-тем в целом.
Улучшение качества речи
Реализованное в системах GSM полноскоростное кодирование речи предоставляет хорошее "сотовое качество" передаваемой речи. Однако благодаря быстрому раз-витию в течение последних нескольких лет алгоритмов кодирования речи с низ-кой скоростью битового потока сейчас стало возможным полностью избавиться от имиджа "сотового качества" и достигнуть в сотовых сетях такого же качества ре-чи, как в обычной телефонной сети.
Комитет Special Mobile Group (SMG) Института ETSI уже начал определять требова-ния и рабочие процедуры для стандартизации метода улучшенного полноскорост-ного кодирования речи для систем GSM. В соответствии с графиком, предложен-ным Институтом, новый стандарт должен быть готов осенью 1996 г. (работы над этим стандартом были начаты весной 1995 г.). Ниже приведены некоторые требо-вания, предъявляемые к новому кодеку:
График ETSI может показаться достаточно растянутым, и возникает вопрос, когда же новые кодеки будут реализованы в сетях GSM. Другой очевидный вопрос - действительно ли стоит так долго ждать, пока технология кодирования речи с низкой скоростью битового потока достигнет уровня, соответствующего требова-ниям ETSI.
Один из ответов на эти вопросы можно получить, рассмотрев положение стандар-та PCS-1900 в США. Следует заметить, что стандарты для низкоуровневых интер-фейсов PCS-1900 практически совпадают со стандартами для GSM. Отличаются они лишь полосами частот. Однако полосы частот PCS-1900 и DCS-1800 близки, следо-вательно, вполне логично предположить, что существенных различий между эти-ми системами в условиях распространения сигналов нет. Поэтому с точки зрения как качества речи, так и разработки кодеков речи системы DCS-1800 и PCS-1900 функционируют практически в одинаковых условиях. В США четыре производите-ля систем GSM (фирмы Ericsson, Motorola, Nokia и Northern Telecom) уже пришли к соглашению относительно использования единого кодека, обеспечивающего улучшенное полноскоростное кодирование речи. Этот кодек разработан фирмой Nokia и университетом г. Шербрук (Канада).
Новый кодек имеет выходную скорость битового потока 13 Кбит/с и использует уже существующую схему кодирования каналов. Результаты тестов показали, что новый кодек обеспечивает такое же качество речи, как и обычная телефонная линия, практически по всей зоне обслуживания систем GSM и даже на ее грани-цах, в самых тяжелых условиях распространения сигнала. На рисунке показано качество речевой информации, передаваемой при помощи нового метода, метода RPE-LTP и метода ADPCM со скоростью битового потока 32 Кбит/с. Метод кодиро-вания ADPСM используется, например, в системе DECT.
Увеличение пропускной способности
С точки зрения передачи речи имеется еще одно направление развития GSM: дальнейшее уменьшение скорости битового потока кодированной речи и связан-ное с ним увеличение числа пользователей (число доступных речевых каналов) в системе. На это и направлена разработка кодирования с половинной скоростью. Выходная скорость такого кодирования с учетом кодирования каналов ровно в два раза меньше выходной скорости полноскоростного кодирования. Поэтому пропу-скная способность систем GSM может быть увеличена примерно в два раза. В то же время качество речи, сравнимое с качеством речи современных систем GSM с полноскоростным кодированием, достигается главным образом благодаря более развитой технологии обработки сигналов.
Техническое описание кодирования с половинной скоростью было одобрено Ко-митетом SMG в январе 1995 г. и сейчас опубликовано, хотя до окончательного принятия оно должно пройти ряд официальных процедур в Институте ETSI. Однако поскольку стандарт опубликован, в принципе, уже сейчас может начаться реали-зация соответствующих ему кодеков в конечных устройствах и инфраструктуре сетей GSM.
Увеличение размеров сот
На самом деле новое кодирование с половинной скоростью предоставляет еще одну интересную возможность дальнейшего развития речевых каналов GSM. Если при таком кодировании используется полноскоростной канал GSM, то может быть реализована дополнительная защита от ошибок (дополнительное кодирование ка-налов), что существенно повысит число исправляемых ошибок. Эта технология в настоящее время не зарегистрирована в ETSI.
На практике дополнительное кодирование каналов позволяет увеличить их потен-циал (link budget) примерно на 5 дБ, что дает возможность увеличить радиус соты приблизительно в 1,4 раза и, соответственно, общую площадь соты в два раза. Эти вычисления показывают, что при помощи кодирования с половинной скоро-стью на полноскоростных каналах одну и ту же область в сельской местности можно обслуживать вдвое меньшим числом базовых станций, чем при полноско-ростном кодировании. А это весьма важный фактор, снижающий стоимость раз-вертывания новых сетей GSM. Недостатком такого подхода является то, что каче-ство речи на площади увеличенной соты будет всего лишь качеством кодирования с половинной скоростью, то есть примерно таким же, как в существующих коде-ках RPE-LTP. Ведь этот подход не позволяет использовать улучшенное полноско-ростное кодирование.
Некоторые могут подумать, что вероятность успешного установления связи в уве-личенных сотах значительно уменьшится по сравнению с нормальными сотами. Однако это не так. Дело в том, что в системах GSM каналы управления имеют большую производительность, чем речевые. Поэтому, вероятность установления связи заметно уменьшаться не будет.
Упомянутое выше предложение по использованию кодирования с половинной ско-ростью на полноскоростном канале можно применить не только для увеличения размера соты, но и для повышения устойчивости и расширения зоны надежной связи внутри зданий в структуре с нормальными размерами сот. Этот способ мо-жет быть очень привлекательным для повышения качества услуг, предоставляе-мых сетями GSM.
Архитектура радиоинтерфейса CDMA
Традиционно архитектура систем связи базируется на эталонной семиуровневой модели OSI, которая применительно к мобильной радиосвязи делится на два ук-рупненных слоя.
Традиционно архитектура систем связи базируется на эталонной семиуровневой модели OSI, которая применительно к мобильной радиосвязи делится на два ук-рупненных слоя. Верхний - охватывает уровни, непосредственно не связанные с предоставлением доступа (non-access stratum). Нижний - обеспечивает обслужи-вание всех элементов системы, связанных с организацией радиосвязи и обеспе-чением доступа (access stratum).
Архитектура систем CDMA является открытой и имеет три уровня: физический (L1), канальный (L2) и сетевой (L3). Канальный уровень подразделяется на 2 по-дуровня: L2/LAC (управление доступом к каналу) и L2/MAC (управление доступом к среде). На сетевом уровне (L3) и подуровне L2/LAC используется совокупность протоколов, охватывающая области управления (С-plane) и абонентскую (U-plane).
Использование трехуровневой модели (см. рисунок) вместо общепринятой семи-уровневой позволяет не только упростить описание взаимосвязей между объекта-ми разных уровней, но и более эффективно использовать модульный принцип при проектировании радиосистем. Рассмотрим обобщенную архитектуру и канальную структуру радиоинтерфейса CDMA с учетом новых предложений для проектов стандартов cdma2000 (TIA TR 45.5, США), UTRA (ETSI, Европа) и W-CDMA (ARIB, Япония).
Иерархическая трехуровневая структура ориентирована на предоставление раз-личных видов услуг, включая передачу речи, данных и мультимедиа. Для их реализации на канальном уровне создается множество логических каналов, функционирующих с различными показателями качества сервиса (QoS), при этом физический канал может адаптивно подстраиваться под требуемые режимы обслуживания. Процедуры согласования категории услуг функционально эквивалентны тем, которые применяются в сетях B-ISDN (Q.2931).
Обобщенная архитектура радиоинтерфейса
Взаимосвязь между соседними уровнями или подуровнями осуществляется через соответствующие точки доступа (на рисунке в виде овалов) к услугам SAP (Service Access Point). Каждый уровень имеет четко определенный интерфейс, что позво-ляет реализовать на нем любой протокол вне зависимости от остальных уровней.
В пакетном режиме радиосистема может одновременно обслуживать большое число абонентов, но при пакетной передаче трафик имеет прерывистый характер и мобильная станция в течение довольно длительных периодов пребывает в ма-лоактивном или пассивном состоянии. Поэтому для снижения энергопотребления станция передает пакеты в режиме «запрос—ответ». Эффективность режима па-кетной передачи обеспечивается с помощью специальных протоколов MAC-уровня.
Коммутируемые потоки являются частным случаем пакетной передачи: выделен-ные каналы для трафика и сигнализации предоставляются во время всего сеанса связи. Соответственно, при передаче таких потоков пропускная способность сис-темы используется менее эффективно, чем при передаче пакетов.
Сетевой уровень (L3) разделен в С-плоскости на несколько подуровней, самый нижний из которых отвечает за управление радиоресурсами и обозначается как RRC (Radio Resource Control). Подуровень RRC напрямую связан с LAC-подуровнем и выполняет все сетевые процедуры, связанные с обработкой управляющей ин-формации, которая циркулирует между мобильными абонентами и инфраструкту-рой сети. В число основных функций сетевого протокола, носящего то же имя, что и подуровень (RRC), входят установление, переконфигурирование и разъединение соединений в каналах сигнализации и радиодоступа, а также процедуры, связан-ные с перемещением мобильных станций, в том числе режимы управления мо-бильностью — Mobility Management (ММ) и вызовами — Call Control (СС).
Главная задача сетевого уровня — формирование потоков данных от конечного пользователя, а также служебных сообщений и сигнализации. Процедуры данного уровня обеспечивают два режима управления: общий и выделенный.
В первом из них выполняется обработка широковещательной информации в опре-деленной географической зоне, не связанной с предоставлением доступа к кон-кретной станции. При этом не применяется защита от помех, т.е. передача ведет-ся без подтверждения приема, а повышение вероятности доставки достигается за счет многократной транспортировки сообщения.
В выделенном режиме управления реализуются функции установления и разрыва соединения, а также обработка сообщений, передаваемых по этим соединениям. При его использовании необходимы более надежные (чем в общем режиме) ли-нии связи, гарантирующие, что сообщения типа СС и ММ будут переданы в пункт назначения с заданной достоверностью и без потерь, например, в процессе пере-ключения мобильных станций.
Наряду с вышеперечисленными функциями сигнализации и управления доступом протокол RRC обеспечивает управление мощностью с помощью внешней схемы регулирования.
Канальный (MAC) уровень, состоящий из L2/LAC- и L2/ MAC-подуровней, является транспортной средой между верхними и физическим уровнями. Он предоставляет механизмы управления сетевыми ресурсами и поддержку протоколов с учетом различных требований к достоверности, качеству обслуживания и времени ожи-дания. На первом подуровне, L2/LAC, формируются прямые логические каналы (типа «точка—точка») с равноправными объектами сетевого уровня. Второй поду-ровень (L2/MAC) обеспечивает управление доступом к радиоканалам и координа-цию радиоресурсов между различными логическим каналами LAC-подуровня, что позволяет свести к минимуму конфликты обслуживаемых объектов (мобильных станций). Наконец, этот подуровень отвечает за доставку показателей качества обслуживания, которые используются на подуровне L2/LAC.
В число основных задач, решаемых на MAC-подуровне, входят и все рабочие про-цедуры, связанные с доступом к физическому уровню: это уплотнение и разуп-лотнение потоков данных, объединение служебных сообщений с информацион-ными потоками и др. Кроме того, на данном подуровне обеспечивается выбор формата передачи для каждого транспортного канала в зависимости от скорости и ограничений по радиоресурсам. В процессе отображения данных на транспорт-ный уровень и выбора транспортных форматов MAC-подуровень может присваи-вать сообщениям различные категории срочности. Выбор «общего» приоритета зависит от вида обслуживания, допустимого времени задержек и др.
Осуществлять логическое управление на канальном уровне позволяют гибкие процедуры, которые удовлетворяют требования различных видов обслуживаемых объектов и работают со стеком протоколов, обеспечивая согласование качества услуг, необходимое для каждого подуровня. Управление доступом к радиокана-лам включает в себя выбор транспортного канала, разрешение конфликтов в ка-нале произвольного доступа, формирование суперкадра путем объединения не-скольких кадров и другие функции.
Администрирование радиоресурсов выполняется с помощью группы функций, со-став которых определяется индивидуально для каждой мобильной или базовой станции. В их число входят, в частности, измерение вероятности ошибок на бит (BER), блок (BLER) и кадр (FER).
На MAC-подуровне могут быть реализованы три режима передачи, которые осно-ваны на применении протокола управления радиоканалом RLCP (Radio Link Control Protocol), позволяющего мобильной станции взаимодействовать с сетью в указан-ных режимах:
достоверный — в нем используются специальные протоколы с защитой от ошибок (ARQ и др.), гарантирующие надежную доставку сообщений;
недостоверный — успешность доставки по большей части зависит от характери-стик радиоканала и в меньшей мере — от сетевых процедур;
прозрачный — RLCP пропускает поток данных без обработки и добавления слу-жебных символов.
При транспортировке мультимедийной информации, которая определена в стан-дарте CDMA-2000 как системная услуга, будут применяться модифицированные канальные протоколы радиообмена, сходные с ARQ, которые позволяют обеспе-чить высокую степень достоверности. При передаче высокоскоростных потоков данных (модель обслуживания аналогична B-ISDN ) высокая достоверность (веро-ятность ошибок на кадр составляет 1—3% FER) достигается за счет использования методов помехоустойчивого кодирования, а также ARQ-алгоритмов, снижающих вероятность ошибок на бит (BER) до величины 10-6. При сочетании этих методов вероятность ошибки становится еще меньше (10-3—10-4 FER), однако общая за-держка при обслуживании увеличивается.
Самый нижний уровень стека протоколов — физический. На нем реализуются все функции, связанные с непосредственным доступом к радиоканалу, обработкой символов модулирующих и демодулирующих последовательностей, с синхрониза-цией, передачей символов пилот-сигнала, а также управлением мощностью пере-датчика и переключением режимов приема/передачи.
Характеристика стандарта 3G
3G - это не просто быстрый доступ к Интернету, это кардинально новый подход к общению, доступу к информации и т. д. Другими словами, те возможности и те устройства, которые традиционно рассматривались как исключительно стацио-нарные, станут мобильными. Пользователь сможет не только разговаривать со своим собеседником, но и видеть его с помощью видеотелефона, путешествовать по сети Интернет, вести бизнес, обучаться, развлекаться и все это с помощью не-большого устройства, напоминающего сегодняшний сотовый телефон. Естествен-но, такие услуги требуют высокоскоростной передачи данных. Для этого преду-сматривается пошаговая модернизация существующих сетей мобильной связи, ко-торые изначально проектировались в расчете на узкополосную передачу данных, до широкополосных сетей, обеспечивающих необходимую скорость для мобиль-ных услуг мультимедиа и доступа к Интернету.
Основой мобильной связи третьего поколения станет технология IP, которая осно-вана на пакетной передаче данных, что означает постоянное пребывание абонен-та в режиме on-line; при этом оплачиваться будет только объем переданной и по-лученной информации, а не время соединения, как это происходит сегодня.
Для реализации систем третьего поколения разработаны рекомендации по гло-бальным унифицированным стандартам мобильной связи: обеспечение качества передачи речи, сравнимого с качеством передачи в проводных сетях связи; обес-печение безопасности, сравнимой с безопасностью в проводных сетях; обеспече-ние национального и международного роуминга; поддержка нескольких местных и международных операторов; эффективное использование спектра частот; па-кетная и канальная коммутация; поддержка многоуровневых сотовых структур; взаимодействие с системами спутниковой связи; поэтапное наращивание скоро-сти передачи данных вплоть до 2 Мбит/с. Несмотря на то что конечная цель для всей индустрии телекоммуникаций — создать единую всемирную среду мобильной связи, поддерживающую широкополосные системы и обеспечивающую глобаль-ную мобильность, в результате, скорее всего, возникнет некоторое семейство стандартов, обеспечивающее услуги третьего поколения.
Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона около 2 ГГц, передавая данные со скоростью 2 Мбит/с. Они позволяют организовать ви-деотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограм-мы и т. д. В мире сосуществуют два стандарта 3G: UMTS (или W-CDMA) и CDMA2000. UMTS распространен в основном в Европе, CDMA2000 — в Азии и США. По данным Wireless Intelligence, на конец ноября 2006 г. в мире насчитывалось 364 млн. абонентов 3G, из них 93,5 млн. были подключены к сетям UMTS и 271,1 млн. — к СDMA2000. Крупнейший оператор — японский NTT DoCoMo (40 млн. або-нентов).
Решение этой проблемы (совместимость стандартов и глобальный роуминг) абсо-лютно аналогично уже применяющемуся сегодня — разработка многомодовых терминалов, способных работать в двух и более стандартах.
Термин 3G используется для описания сервисов мобильной связи стандарта сле-дующего (третьего) поколения, которые обеспечивают более высокое качество звука, а также высокоскоростную интернет-связь и мультимедийные сервисы. Мобильные сети третьего поколения (3G) отличаются от сетей второго поколения (2G), таких как например цифровой стандарт мобильной связи GSM и переходного поколения (2.5G), таких как например GPRS - гораздо большей скоростью переда-чи данных, а также более широким набором и высоким качеством предоставляе-мых услуг.
Хотя существует много различных интерпретаций того, что представляет собой 3G, единственным определением, принимаемым универсально, является опре-деление, опубликованное Международным Институтом Электросвязи (ITU). ITU, работающий с промышленными организациями по всему миру, определяет и ут-верждает технические требования и стандарты, а также правила использования спектра для систем 3G в рамках программы IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000). IMT-2000 - это рекомендации, разработанные Международным Институтом Электросвязи (ITU), касающиеся вопросов использования частотного спектра и технических особенностей для всего семейства стандартов 3-го поколения. Рекомендации описывают пути эволюции существующих в мире стандартов 2-го поколения в стандарты 3-го поколения. ITU требует, чтобы сети IMT-2000 (3G), помимо прочих свойств, обеспечивали улучшенную емкость системы и эффективность использования спектра для систем 2G и поддерживали сервисы передачи данных со скоростями - минимум 144 кбит/с, при использовании в мобильном режиме (не в помещениях), и максимум 2 Мбита/с, в не мобильных условиях (в помещениях).
Путь к 3G
Основываясь на этих требованиях, в 1999 году ITU одобрил пять радиоинтерфей-сов для стандартов IMT-2000, как часть рекомендаций ITU-R M.1457. CDMA2000 - это один из пяти упомянутых стандартов. Он также известен под названием IMT-CDMA Multi Carrier в классификации ITU.
CDMA2000 3G предлагает практически осуществимое решение для любого сущест-вующего на рынке сотового или PCS оператора - а также операторов, уже имею-щих новую лицензию 3G. CDMA2000 был разработан таким образом, что любой беспроводный носитель, вне зависимости от интерфейса, частоты или стандартов базовой сети, может извлечь пользу из его спектральной эффективности. С учё-том специфики существующих в мире на сегодняшний день сетей сотовой связи, были разработаны варианты миграции этих сетей в сети третьего поколения.
В продолжение описания преимуществ сетей третьего поколения, можно утвер-ждать, что помимо услуг интернет-доступа и видеоконференц-связи, клиенты 3G смогут воспользоваться удаленным доступом к корпоративной сети. Третье поко-ление сотовой связи в корне изменит такое понятие, как мобильная работа. Со-трудник сможет выполнять свои задачи в любом месте, даже не выходя из дома.
Важным элементом услуг 3G станет мобильная электронная коммерция, когда оп-латить товары и услуги можно будет через мобильный телефон. Он тем самым превратится в виртуальный кошелек. Кроме того, разработчики всерьез рассмат-ривают возможность запуска такой услуги, как удаленная медицинская диагно-стика.
IMT-2000 обеспечивает:
Программа IMT-2000 базируется на ряде признаков, определяющих принципы построения систем 3-го поколения и их архитектуру. Уже на первом этапе развер-тывания они должны обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т. е. разных скоростей его дви-жения) 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).
Сегодня в мире существуют две основные конкурирующие концепции 3G: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems - универсальная мобильная теле-коммуникационная система), поддерживаемая европейскими странами, и CDMA 2000 (Code Division Multiple Access - мультидоступ с кодовым разделением кана-лов), сторонниками которой традиционно являются азиатские страны и США. В принципе эти две технологии предполагают два различных подхода к организации сетей 3G: революционный (UMTS) и эволюционный (разновидности CDMA - CDMA2000, CDMA2000 IX, CDMA2000 IX EvDo). Эволюционный путь подразумевает сохранение частот и постепенный переход к новым технологиям, путем наращи-вания технических мощностей оператора. UMTS - совершенно новый стандарт, в то время как разновидности CDMA, предложенные для 3G, являются развитием уже эксплуатирующейся в мире технологии второго поколения cdmaOne (IS-95).
В настоящее время сети 3G уже работают в Азии, США, в то время как в Европе существует пока только в тестовых вариантах. Наиболее впечатляющих успехов в области 3G на мировом фоне добилась Япония. Там сегодня работают два опера-тора, которые предоставляют услуги третьего поколения, - это NTT DoCoMo и KDDI. К 2003 году в Японии появится третий оператор, владеющий сетью 3G - J-Phone Communications. Используя CDMA2000 и WCDMA технологии, первые все-мирные коммерческие 3G сети уже обслуживают миллионы абонентов. К концу октября 2002 года, KDDI подключил 3,9 миллиона абонентов CDMA2000, NTT DоC-оMо - 149,000 абонентов FOMA (WCDMA). Также к концу октября общее количество абонентов в Корее составило более чем 15 миллионов абонентов CDMA2000. По данным на 16 декабря 2002 года в мире запущено 32 сети третьего поколения в 16 странах.
Сервисы 3G
Сети мобильной связи сегодняшнего дня изначально предназначались и разраба-тывались для передачи разговоров, речевого трафика. Для того чтобы передавать большие объемы данных достаточно быстро и недорого, необходимы улучшенные радиоинтерфейсы, способные обеспечивать более высокие по скорости широко-полосные соединения многим пользователям одновременно. Широкополосная ра-дио технология была оптимизирована для мультимедийных сервисов и высоко-скоростного доступа в интернет. Новая технология также будет отличаться высо-коэффективным использованием спектра, давая возможность сделать большую часть спектра доступной к использованию. Радиодоступ для сетей третьего поко-ления будет обеспечиваться двумя путями: внедрением новой широкополосной радиотехнологии, что позволит использовать ставшие доступными новые области спектра; а также эволюцией существующей радиотехнологии, для обеспечения новых возможностей, в первую очередь - для увеличения скоростей. Согласно ре-комендациям международного телекоммуникационного союза (ITU) для стандарта IMT-2000, для сервисов следующего поколения намечены скорости передачи дан-ных в 2 Мбита/с (в помещении). В условиях больших открытых пространств, на-пример, на периферийных улицах, при поездках в поезде или в автомобиле, IMT-2000 предусматривает скорость передачи данных до 384 кбит/с. Многополосные, многорежимные телефоны уже продемонстрировали, каким образом инновацион-ный дизайн терминалов может делать частоту радиодоступа безотносительной для пользователей услуг мобильной связи. Подобным же образом, телефоны, ко-торые могут работать как с сетями второго поколения, так и с сетями третьего поколения, будут обеспечивать прозрачный доступ к сервисам, предоставляемым в различных радиосетях. 3G сервисы могут "встраиваться" в соответствии с требо-ваниями рынка - например, в виде "наложенной" сети.
Каков ожидаемый эффект от внедрения 3G?
Внедрение технологий 3G не означает простую стандартизацию нового радиоин-терфейса. Новые технологии и эволюционные стратегии для распространения технологий 3G необходимы для всех уровней сети.
Когда разрабатывались стандарты мобильной связи, функционирующие в настоя-щее время, они были применимы, в основном, непосредственно к конкретной се-ти, и сразу ко всем ее функциональным блокам - один стандарт для всей сети. Сеть GSM использует телефоны GSM, радиосвязь и центральные уровни сети. Практически то же самое можно сказать о TDMA (цифровой мобильный стандарт ANSI-136) и cdmaOne (ANSI-95, цифровой мобильный стандарт, основанный на CDMA). В случае 3G был принят другой подход. Существует один процесс стандар-тизации для радиосети и другой для магистральной базовой сети (Core Network). Вот почему, когда промышленность говорит о широкополосных технологиях ра-диопередачи (Radio Transmission Technologies, RTTs) - применительно к 3G, обсу-ждается только радиокоммуникационная часть сети. Магистральная базовая сеть разрабатывается и стандартизуется параллельно, и во многих случаях будет представлять собой вариант эволюционировавших нынешних базовых сетей. При-веденная диаграмма демонстрирует, как будет выглядеть сеть третьего поколе-ния. Там предусмотрена базовая сеть, которая имеет транспортные "трубки" для информационных потоков, узлы, направляющие движение, и узлы, в которых рас-положены сервисы. Базовая сеть будет также иметь соединения с другими про-водными и мобильными сетями, обеспечивая взаимосвязь с глобальными теле-коммуникационными сетями. К этой базовой сети будет присоединена мобильная радиосеть, обеспечивающая широкополосный интерфейс для пользователей.
Перспективы сети 3G
Стратегии для миграции к функционалу 3G - отталкиваясь от нынешних сетей GSM, cdmaOne и TDMA - предусматривают расширение старых и построение новых широкополосных радиосетей, которые будут способны разделять обычную базо-вую сеть. История и коммерческие реалии диктуют, что 3G должна охватывать широкий спектр радиочастот и техник, коммутирующих платформ и технологий передачи. Когда стандарты будут окончательно приняты, в фокусе внимания ока-жутся скорее сервисы и приложения, чем технологии, используемые для их рас-пространения.
Как будут выглядеть стандарты 3G
Ожидается целое "семейство стандартов" для сетей третьего поколения. Ряд предложений для стандарта IMT-2000 3G был представлен для рассмотрения ITU в течение 1998 года. С этого времени промышленность и органы стандартизации скоординировали свои усилия, чтобы рассмотреть плюсы и минусы всех этих предложений для стандарта IMT-2000 и установить набор требований. Operators Harmonization Group (OHG) - группа крупнейших операторов во всех частях мира - сыграла ключевую роль в этом процессе и в конце концов одобрила набор стан-дартов в мае 1999 года.
Это семейство стандартов включает один стандарт, основанный на GDMA, с тремя возможными режимами: Multi-Carrier (Mc), Direct Spread (DS) и Time Division Du-plex (TDD), а также один стандарт, основанный на TDMA - EDGE. Радиостандарты могут комбинироваться с различными базовыми сетевыми стандартами (GSM MAP или ANSI-41) и функционировать в различных полосах частот. Режим Multi-Carrier (Mc) также называют cdma2000 Mc; а режим Direct Spread (DS) также называют WCDMA. Стандарт UMTS покрывает WCDMA, TDD и GSM/MAP. В 1992 году конфе-ренцией World Administrative Radio Conference (WARC) был назначен новый радио-спектр в 230 МГц для наземных и спутниковых сервисов. В рамках этого решения ITU отклонил 155 МГц в 2 ГГц полосе для наземных сервисов 3G, как показано на схеме. Этот спектр был размещен в Европе и Японии на двух 2 ГГц полосах, близ-ких к рекомендованным ITU, в плане выполнения этих требований.
Размещения спектра (IMT-2000/UMTS/PCS)
300 МГц - 600 МГц - NMT 450 Nordic Mobile Telephone System TV Terrestrial Televi-sion (наземная телесеть), аналоговая и цифровая
600 МГц - 1.5 ГГц - GSM900 Global System for Mobile Communications GRRS General Packet Radio Service CT-1 Cordless Telephone GPS Global Positioning System
1.5 ГГц - 3 ГГц - GSM1800 Global System for Mobile Communications DECT Digital En-hanced Cordless Telephone System 3G UMTS Universal Mobile Telecommunications System WLAN Wireless Local Area Network Bluetooth Microwave Oven
3 ГГц - 6 ГГц - Hiperlan High Performance Local Area Network FWA (Fixed Wireless Access)
29 января 1998 года члены European Telecommunications Standards Institute (ETSI) достигли согласия в отношении стандарта мобильной связи третьего поколения (3G). Этот стандарт - универсальная мобильная коммуникационная система (Uni-versal Mobile Communications System), решение для нее называется UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access), и оно основывается на обоих предложениях - на W-CDMA (широкополосном Code Division Multiple Access) и TD-CDMA (Time Division Multiple Access CDMA). W-CDMA будет использоваться для широкого спектра приложений, тогда как TD-CDMA будет использоваться преимущественно для помещений, когда не требуется обеспечение высокой мобильности. Этот стандарт, как ожидается, создаст новую нишу на мировом рынке и станет наиболее широко используемым стандартом для сетей третьего поколения.
В мобильной телефонии протоколы третьего поколения поддерживают гораздо более высокие скорости передачи данных, измеряющиеся в Мбитах/с, и предна-значены не только для передачи голоса, но и для других приложений. Опытные образцы сетей третьего поколения стартовали в Японии в 2001 году. Сети 3G, как ожидаются, стартуют в Европе и в некоторых странах Азии/Тихоокеанского побе-режья в течение 2002-2003 годов, и позже - в США. 3G будет поддерживать при-ложения, требующие существенной ширины полосы, такие как полноформатное видео, видеоконференции и полный доступ в интернет.
