Леонид Невдяев
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:
Таблица 1. Услуги систем 3-го поколения
| Виды услуги | Скорость передачи КБит/c | Средняя длитель ность сообщения, с | Режим работы | Услуги |
| Голосовая связь | 4-32 | 60 | Коммутация каналов | Речь, голосовая почта |
| Низкоскоростной обмен данными | 9,6-14,4 | 30 | Коммутация пакетов | SMS, определение местоположения |
| Передача к коммутируемым данным(ISDN) | до 64 | 156 | Коммутация каналов | Услуги сетей ISDN |
| Интерактивный обмен мультимедиа данными | 128-134 | 144 | Коммутация каналов | Видеотелефонная связь, передача изображениф и больших объёмов информации |
| Асимметричная передача мультимедиа данных | 384-2048 | 14-53 | Коммутация пакетов | Работа с сетями Internet и интрасетями |
Что же касается набора услуг, то он фактически приближается к предоставляемому в сетях фиксированной связи. Это и высокоскоростной доступ в Internet, и мультимедиа (табл.1).. 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.
В июне 1998 г. в МСЭ поступило 10 предложений по проектам стандартов наземной связи, восемь из которых разработаны на базе технологии CDMA и два - на основе TDMA (Табл.2). Проекты были заявлены от трех крупных регионов мира - Северной Америки, Европы и Азиатско-Тихоокеанского - и отражали "национальные" различия в технологиях и путях перехода к системам подвижной связи 3-го поколения.
Таблица 2. Проекты стандартов сухопутной подвижной связи
| Район | Проект | Краткая характеристика проекта |
| Европа (район1) | UTRA(ETSI) | Расширяет спектр услуг и пропускную способность системы микросотовой связи DECT |
| DECT EP (ETSI) | Объединяет две технологии: широкополосный доступ WCDMA и комбинированный доступ TDMA/ CDMA . Первоначально в качестве чиповой скорости была выбрана 4,096 Мчип/с, в процессе гармонизации значение уменьшено до 3,84 Мчип/с | |
| Северная Америка (Район 2) | UWC-136 (TIA TR45.3) | Базируется на технологии TDMA и предъявляет минимальные требования к частотным ресурсам |
| cdma2000 (TIA TR45.5) | Основан на эволюции стандарта cdmaOne (IS-95) и несовместим по чиповой скорости с предложениями WCDMA (ARIB) и UTRA (ETSI) | |
| WIMS (TIA T46.1) | Компромиссное решение, объединяющее стандарты UTRA (Европа) и WCDMA (Япония) | |
| WCDMA NA (T1P1 ATIS) | Во многом идентичен предложениям UTRA и WCDMA, но со своими особенностями применения режима TDD (Ericsson) | |
| Азиатско-Тихоокеанский регион (Район 3) | WCDMA (ARIB) | Основан на широкополосной технологии DS- CDMA и содержит базовые технические решения для систем 3-го поколения с частотным дуплексным разносом. (Япония) Первоначально в качестве базовой чиповой скорости была выбрана 4,096 Мчип/с, впоследствии измененная на 3,84 Мчип/с |
| CDMA I (TTA) | Базируется на синхронной технологии DS- CDMA и технических решениях стандарта cdma2000 (Южная Корея) | |
| CDMA II (TTA) | Основан на широкополосной асинхронной технологии DS- CDMA и технических решениях стандартов WCDMA и UTRA (Южная Корея) | |
| TD-SCDMA (CATT) | Комбинированный вариант синхронной системы TDMA/ CDMA (Китай) |
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 "по сути" считаться корпоративными.
Фактически, предложения США означают три пути развития для 3G-систем:
Огромный рыночный потенциал Азиатско-Тихоокеанского региона с учетом большой численности населения стал решающим фактором в определении стратегии развития мобильной связи 3-го поколения. На этой территории, отнесенной Регламентом радиосвязи к Району 3, активную позицию занимают несколько стран, в числе которыхЯпония, Корея, Китай и Малайзия. Их предложения по программе IMT-2000убедительно 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 3-го 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, прежде всего будущие стандарты IMT-2000, особенно важны, так как южнокорейские гиганты Samsung иHyundai давно и последовательно реализуют свои планы покорения мирового рынка. Исходя из этого, в ее проектах главный упор был сделан на производство оборудования CDMA. Все эти факторы определили общую основу двух радикально различающихся проектов стандартов дляIMT-2000, поступивших от этой страны.
В Китае ориентируются на технологию GSM. Поэтому его 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) (Табл.3).
Таблица 3. Две стратегии внедрения услуг 3-го поколения мобильной связи
| Определяющий фактор | Эволюционный подход | Революционный подход |
| Метод использования частотного ресурса | Работа в старых диапазонах | Освоение новых диапазонов |
| Принцип предоставления услуг | Постепенно расширяемый ассортимент услуг | Новые услуги с начала развертывания |
| Пропускная способность | Постепенно наращиваемая | Изначально высокая |
| Стратегия создания сетевой инфраструктуры | Медленный и постепенный переход от 2G к 3G по мере появления спроса на услуги | Создание опытных районов ("островков") с полным набором услуг |
| Технологический уровень | Новые технологии в отдельных элементах | Все технологии - новейшие |
| Архитектура сети | Максимальное использование существующей инфраструктуры | Новая |
| Коммерческий риск | Низкий | Высокий |
| Состав операторов | В основном те же, что и в 2G | Операторы, купившие лицензии на услуги 3G |
| Глобальный роуминг | С ограничениями | Без ограничений |
| Капитальные затраты | Незначительные | Значительные |
При революционном подходе предполагается 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.
Один из важнейших признаков, принципиально отличающих два подхода, - способы освоения частотного ресурса. При революционном сценарии требуется новый частотный ресурс. Япония и Европа намерены пойти по этому пути и выделить для систем 3-го поколения "индивидуальные" полосы радиочастот.
В США подход абсолютно иной - там 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. Сегодня 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.).
В борьбе за лидерство при принятии мировых стандартов 3-го поколения образовались два лагеря, оформившиеся в виде двух партнерских объединений: 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 иNokia.
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 чисто формальное объединение двух различных технических решений - европейского предложения UTRA TDD и китайского TD-SCDMA.
С технической точки зрения основное отличие вариантов IMT-DS и IMT-TC - в базовой чиповой скорости. В этих проектах она изменена с 4,096 Мчип/с на 3,84 Мчип/с (табл. 4).
Таблица 4. Характеристики радиоинтерфейсов для IMT-2000
| Показатель | IMT-DS | IMT-MC | IMT-TC | IMT-SC | IMT-FT |
| Авторы технических спецификаций | 3GPP, ARIB, ETSI | 3GPP2, TIA TR-45.3 | 3GPP, ETSI, | 3GPP2, UWCC, CWTS | ETSI TIA TR-45.3DECT EP |
| Базовая технология | WCDMA | cdma2000 | UTRA TDD TD | UWC-136, TDMA | MC-TDMA |
| Метод доступа | UTRA | MC- CDMA | SCDMATDMA/ CDMA | FDD | FDD/TDD |
| Чиповая скорость, Мчип/с | 3,84DS- CDMA | 3,6884 | 3,84 (UTRA) 1,28 (SCDMA) | Н/д | Н/д |
| Скорость передачи, кбит/c | Н/д | Н/д | Н/д | 384; 2048 | 1152; 2304; 3456 |
| Вид модуляции | QPSK/BPSK HPSK* | QPSK/BPSK | QPSK/BPSK HPSK* | BOQAM QOQAM | GFSK; p/2-DPSK p/4-DQPSK p/8-D8PSK |
| Длина кадра, мс | 10 | 5 и 20 | 10 | 4,6 | 10 |
Примечание: Н/д - нет данных. * HPSK (Hybrid Phase-Shift Keying) - гибридная фазовая манипуляция (известная также как OCQPSK).
Во второе партнерское объединение - 3GPP2 - входят Ассоциация промышленности связи TIA (представленная подкомитетами TIA TR-45.3 и TIA TR-45.3) и ряд азиатских региональных организаций: ARIB, CWTS, TTA и TTC.
Члены 3GPP2 являются сторонниками эволюционного развития двух технологий сотовой связи 2-го поколения TDMA (IS-136) и cdmaOne (IS-95), которые в настоящее время широко распространены в США.
Предложения от этого партнерства представлены двумя вариантами радиоинтерфейсов, получившими обозначение IMT-MC (IMT-2000 Multi Carrier) иIMT-SC (IMT-2000 Single Carrier), (Табл.3).
Первый из них - IMT-MC - по - сути представляет собой модификацию многочастотной системы cdma2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с оборудованием стандарта cdmaOne (IS-95). Увеличение пропускной способности реализуется за счет одновременной передачи сигналов на нескольких несущих с частотным дуплексным разносом, предполагается работа в непарных полосах частот.
Радиоинтерфейс IMT-SC базируется на спецификациях проекта стандарта UWC-136; в нем определено поэтапное расширение возможностей существующей системы TDMA при условии работы системы в парных полосах частот.
Наиболее вероятно, что в странах с развитой телекоммуникационной инфраструктурой переход к 3-му поколению будет происходить путем совершенствования существующих сетей и внедрения технологий предоставления новых услуг по мере появления спроса.
Очевидно, что рыночные факторы и особенности региональных рынков Европы, Северной Америки и Азии будут препятствовать быстрому переходу от существующих технологий к стандартам 3-го поколения. Этап внедрения новых технологий продлится не менее четырех лет (2002-2005 гг.), а совместное существование систем 2-го и 3-го поколений - примерно до 2010 г.
Никто не сомневается, что Япония и азиатские рынки станут первыми массовыми полигонами, где новые технологии будут испытаны уже к 2002 г., что, конечно, повлияет не только на структуру мирового рынка мобильной связи, но и, возможно, на сами стандарты.
В соответствии с концепцией IMT-2000 в системах 3-го поколения предполагается создание единого частотного пространства шириной 230 МГц с разными сценариями использования. Основа этих сценариев - режимы FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex). Новизна технологий IMT-2000 связана прежде всего с выделением парных полос частот для систем, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD), и непарных - для систем с временным дуплексным разносом (TDD).
Комбинированное использование этих двух режимов делает систему гибкой, позволяя изменять пропускную способность и способы организации связи. Режим FDD более эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов, а TDD, напротив, предназначен для работы в пико- и микросотах, т. е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.
Сравним характеристики систем WCDMA FDD и UTRA TDD (табл. 5). У них, безусловно, много общего: одинакова чиповая скорость 3,84 Мчип/с (в базовом варианте), сходны принципы кодирования и демодуляции, идентичны и длины кадра и суперкадра. Последний параметр значительно упрощает процедуру совместимости режимов, а синхронизация по кадрам базовых станций обеспечивает быстрый поиск сот и эффективное распределение каналов.
Таблица 5. Сравнительные характеристики систем WCDMA FDD и UTRA TDD
| Показатель | WCDMA FDD | UTRA TDD |
| Диапазон частот, МГц | 2110—2170 («вниз»); 1920—1980 («вверх») | 1900-1920 («вниз»); 2010-2025 («вверх») |
| Метод доступа | DS-CDMA | TD-CDMA |
| Полоса частот, МГц | 2х5; 2х7,5; 2х15 | 5 |
| Разнос между несущими, кГц | 200 | 200 |
| Чиповая скорость (базовая), Мчип/с | 3,84 | 3,84 |
| Синхронизации базовых станций | Асинхронная (возможна синхронная) | Синхронная |
| Схема поиска ячеек | Трехэтапная процедура (первичный и вторичный SCH) | Канал SCH (повторение N раз в течение 240 мс) |
| Коэффициент расширения (SF) | 1—512 | 1—16 |
| Модуляция в канале данных | ||
| «вниз» | QPSK | QPSK |
| «вверх» | BPSK | QPSK |
| Расширяющая модуляция | ||
| «вниз» | QPSK | QPSK |
| «вверх» | QPSK или HPSK (OCQPSK) | QPSK |
| Глубина перемежения, мс | 10/20/40/80 | 10/20/40/80 |
| Кадровая структура, мс | 0,625 (КИ*), 10 (кадр) 720 (суперкадр) | 0,625 (КИ), 10 (кадр) 720 (суперкадр) |
| Скорость передачи в канале управления мощностью, кбит/с | 1,6 | 0,1—0,8 |
| Точность управления мощностью, дБ | 0,25—1,5 style='color: black'> | 1—3 |
| Максимальная излучаемая мощность (скорость 8 кбит/с, речь), дБм | 24 | 27,2 |
| Пропускная способность** в полосе 30 МГц, Эрл/МГц/сота | 56,5/57,0**** | 68,0/106**** |
| Пропускная способность*** в полосе 30 МГц, Мбит/с/МГц/сота | 0,657/0,753**** | 0,846/0,452**** |
| Максимальная дальность мобильной и базовой станций, км | 5,787/4,475**** | 6,041/5,279**** |
| * КИ — канальный интервал. ** При передаче речи. *** При передаче данных со скоростью 144 кбит/с. **** Первая цифра соответствует линии «вниз», вторая — линии «верх». | ||
При дуплексной передаче с частотным разделением - FDD - число каналов в линиях "вниз" и "вверх", как правило, одинаково. А в режиме TDD двусторонняя радиосвязь обеспечивается за счет временного уплотнения каналов передачи и приема на одной несущей, что позволяет оптимально перераспределять ресурсы линии связи, выделяя различное число временных интервалов в линиях "вверх" и "вниз".
В европейском проекте UTRA изменение соотношения трафика в линиях "вверх" и "вниз" составляет от 15/1 до 2/14. Некоторое отличие в коэффициенте асимметрии обусловлено тем, что по крайней мере два канальных интервала должны быть выделены для служебных нужд в линии "вниз" (каналы синхронизации SCH) и один - в линии "вверх" (канал доступа RACH). Аналогичные решения будут приняты для режима TDD в других проектах наземных систем подвижной связи 3-го поколения.
Необходимость совместимости режимов TDD и FDD требует реализации простых и дешевых двухрежимных FDD/TDD-терминалов. Сегодня это возможно благодаря использованию одних и тех же микросхем как в двух-, так и в однорежимных радиотелефонах. При этом двухрежимное абонентское устройство FDD/TDD будет ненамного сложнее обычного FDD-терминала.
Протоколы верхнего уровня обрабатываются в режимах TDD и FDD идентичным образом. Кроме того, процедуры мультиплексирования и расширения кодов в каналах "вверх"/"вниз" этих режимов используют одинаковую управляющую информацию. Общие процедуры и одна и та же канальная структура позволяют говорить о совпадении основных свойств UTRA TDD и WCDMA FDD (набор протоколов верхних уровней, услуги для прикладных служб и др.).
Использование одной и той же частоты для линий "вверх" и "вниз" упрощает конструкцию адаптивных (интеллектуальных) антенн, приемопередатчиков и в целом оборудования базовых станций. Так как характеристики замираний в прямом и обратном каналах в значительной степени коррелированы, то для их компенсации используются одинаковые методы управления мощностью и адаптивными антеннами.
Таким образом, системы на базе WCDMA FDD и UTRA TDD дают возможность нескольким операторам совместно использовать одну и ту же полосу частот, без взаимных помех и снижения качества связи. Никакой частотной координации между операторами в этом случае не требуется. А гибкая сетевая архитектура обеспечивает создание сетей разной конфигурации (макро-, микро- и пикосоты) при экономном использовании радиоресурсов.
Согласно концепции IMT-2000, система нового поколения подразделяется на две составные части: сети радиодоступа и магистральную базовую сеть. Подходы к их проектированию принципиально различны.
Эффективность сетей радиодоступа в значительной степени зависит от новизны технологий, которые в них используются. Смена поколений, как правило, означает и смену идеологии построения этих сетей. Магистральные сети более "инерционны". В них инвестированы значительные средства, которые операторы желают сохранить при переходе к 3-му поколению. Кроме того, существующие базовые сети не являются сдерживающим фактором для внедрения современных ЗG-услуг. Поэтому их инфраструктура будет развиваться эволюционным путем, опираясь на существующие сети GSM, TDMA (IS-136), IP, IN и ISDN, что подтверждают и исследования, проведенные в рамках IMT-2000.
Сегодня в качестве магистральных предполагается использовать сеть, базирующуюся на IP-технологии, а также усовершенствованные опорные сети GSM MAP и ANSI-41, которые развернуты для наиболее развитых стандартов мобильной связи 2-го поколения - европейского GSM и североамериканских TDMA (IS-136) и CDMA (IS-95). Взаимодействие между тремя магистральными сетями - GSM MAP, ANSI-41 и базовой IP-сетью - будет осуществляться через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network Interface).
Стандартный модуль идентификации пользователя UIM (User Identity Module) обеспечит глобальный роуминг независимо от метода радиодоступа или типа транспортной сети в том или ином географическом регионе.
В настоящее время важнее всего дать возможность всем операторам действующих сетей использовать существующую инфраструктуру при реализации набора новых услуг IMT-2000. В связи с этим МСЭ считает необходимым начать разработки единого протокола NNI, обеспечивающего глобальный роуминг в рамках 3G-систем.
Транспортная сеть должна обеспечить межсетевое взаимодействие и "прозрачность" доступа к услугам независимо от местонахождения абонентов. Чтобы реализовать это требование на практике, предусматривается создание специального конвертора, или шлюза, IWG (Interwoking Gateway), который и будет поддерживать глобальный роуминг при любом протоколе радиодоступа.
Сегодня уже очевидно, что окончательному внедрению систем 3-го поколения будет предшествовать очень продолжительный период их совместного существования с системами 2-го поколения. Благодаря различиям в наборе и стоимости предоставляемых услуг новые технологии будут не конкурировать со старыми, а дополнять их.
Однако о предоставлении услуг массовому пользователю говорить еще рано. Основная причина - слишком высокая стоимость абонентского оборудования.
Несомненно также, что тарифы на новые услуги будут несоизмеримо выше, чем на традиционные, предоставляемые системами 2-го поколения. Это означает, что они будут востребованы лишь ограниченным контингентом потребителей. Поэтому глобального вытеснения старых технологий системами подвижной связи 3-го поколения пока не предвидится. Аналитики рынка считают, что процесс может занять 5-10 лет, а решающим фактором его ускорения станет востребованность услуг высокоскоростной передачи данных.