Системы мобильной связи 3-го поколения

Программа IMT-2000 (International Mobile Telecommunication – 2000), ранее известная как Future Public Land Mobile Telephone System (FPLMTS), представляет собой программу создания глобальной системы подвижной радиосвязи общего пользования 3-го поколения, которая будет включать ряд международных региональных и национальных систем с возможностью всемирного роуминга. Системы 3-го поколения смогут предоставлять абонентам широкий спектр услуг связи, характерных как для фиксированных сетей (телефонных сетей общего пользования, цифровых сетей с интеграцией служб и т.д.), так и специфичных для подвижных абонентов. Различные виды оконечного абонентского (терминального) оборудования IMT-2000 предоставят доступ к наземному, и к спутниковому сегменту сети [37].

Вопросы, связанные с разработкой и аспектами внедрения IMT-2000 в рамках Международного союза электросвязи (ITU – International Telecommunication Union), начали рассматриваться с 1985 года. В Европе разработка стандартов для системы 3-го поколения началась с 1990 года в Европейском институте стандартизации электросвязи (ETSI). В рамках Европейского союза система 3-го поколения получила название Universal Mobile Telecommunication System (UMTS), а технология радиоинтерфейса наземного сегмента системы UMTS, разработанная ETSI, получила название UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA).

IMT-2000 является системой открытых стандартов, создаваемых под эгидой ITU при участии региональных и национальных организаций. Для решения спорных вопросов при определении единых гармонизированных решений и разработки спецификаций по стандартам радиоинтерфейсов 3-го поколения были созданы два партнерских объединения – Партнерские проекты по системам 3-го поколения (3-rd Generation Partnership Project) 3GPP и 3GPP2.

В первое партнерское объединение 3GPP входят Европейский институт телекоммуникационных стандартов ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет Tl ANSI (США), а также три организации по стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона – CWTS (Китай), Ассоциация технологий связи ТТА (Корея) и Комитет по технологиям связи ТТС (Япония).

Основной вклад партнерства 3GPP в программу IMT-2000 – это гармонизация пяти проектов UTRA FDD (ETSI), WCDMA (ARIB), WCDMA NA (T1P1, США), WIMS (TR-46.1, США) и CDMA II (ТТА) в один вариант радиоинтерфейса IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread), создаваемый на базе проектов WCDMA (UTRA FDD) с прямым расширением спектра (DS-CDMA) и частотным дуплексным разносом (FDD) для применения в парных полосах частот.

Второй тип радиоинтерфейса, который был представлен партнерством 3GPP в ITU, основан на кодово-временном разделении каналов TDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (TDD) для применения в непарных полосах частот. Вариант, который получил название IMT-ТС (IMT-2000 Time-Code), 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-ТС от ранее поступивших в ITU предложений – это изменение в базовом варианте скорости с 4,096 на 3,84 Мбит/с.

Еще одному предложению DECT ЕР, которое поступило от ETSI, была присвоена новая аббревиатура IMT-FT (IMT-2000 Frequency Time). Стандарт на микросотовую систему DECT разрабатывается с комбинированным частотно-временным дуплексным разносом и предназначен для применения как в парных, так и непарных полосах частот. В варианте IMT-FT предложены три градации скоростей передачи: 1,152; 2,304 и 3,456 Мбит/с. Такая возможность реализуется за счет введения новых методов модуляции /2-DPSK, /4-DQPSK, /8-DSPSK.

Во второе партнерское объединение 3GPP2 входит Ассоциация промышленности связи TIA (представленная подкомитетами TIA TR-45.3 и TIA TR-45.5), а также организации ARIB, CWTS, ТТЛ и ТТС. Основная цель 3GPP2 – эволюционное развитие технологий сотовой связи 2-го поколения, которые в настоящее время получили широкое распространение в США: TDMA (IS-136) и CDMAOne (IS-95).

Предложения от этого партнерского объединения представлены в виде двух вариантов радиоинтерфейсов, получивших обозначение IMT-MC (IMT-2000 Multi Carrier) и IMT-SC (IMT-2000 Single Carrier). Радиоинтерфейс IMT-MC основан на варианте многочастотной системы CDMA-2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с CDMA-One (IS-95). Увеличение пропускной способности реализуется за счет одновременной передачи информации на нескольких несущих.

Радиоинтерфейс IMT-SC базируется на проекте стандарта UWC-136 и предполагает поэтапное расширение возможностей существующей системы TDMA при работе в парных полосах частот.

Согласно концепции IMT-2000 общая архитектура системы нового поколения подразделяется на две составные части: сети радиодоступа и базовые сети (рис. 9.4). После завершения процедуры гармонизации в состав семейства сетей радиодоступа были включены 5 радиоинтерфейсов. Схема их взаимосвязи с ранее представленными проектами стандартов приведена на рис. 9.3.

Сети радиодоступа и магистральные базовые сети связаны между собой современными соединительными линиями. Модульная структура IMT-2000 обеспечивает возможность наращивать сетевую инфраструктуру путемгюследовательной модификации ее составных элементов.

Системы 3-го поколения IMT-2000 будут обладать следующими отличительными чертами:

- высокой степенью унификации оборудования в глобальном масштабе;

- совместимостью услуг в пределах IMT-2000 с услугами стационарных сетей;

- высоким качеством обслуживания пользователей;

- удобным портативным абонентским оборудованием для всемирного использования;

- всемирным роумингом;

- высокой степенью гибкости сетей к возможности поддержания вновь появляющихся видов услуг;

- предоставлением услуг мультимедиа.

Основными факторами, обусловившими эволюцию от существующих систем сухопутной подвижной радиосвязи (СПР) общего пользования 2-го поколения к системам 3-го поколения, стали: рост потребностей в услугах высокоскоростной передачи данных и необходимость в повышении эффективности использования радиочастотного спектра.

Рис. 9.3. Укрупненная архитектура наземной сети IMT-2000

До недавнего времени передача речи была основным видом услуг в системах подвижной радиосвязи и составляла преимущественную часть в общесистемной загрузке. По мере того, как технологический прогресс обусловливает возможность реализации дополнительных видов услуг телекоммуникаций, предоставляемых по стационарным сетям, резко возрастает спрос на аналогичные услуги и в сетях подвижной связи. Перспективные сети подвижной связи, помимо передачи речи, должны будут предоставлять широкий спектр услуг передачи высокоскоростных данных: мультимедиа, доступ к глобальной компьютерной сети Интернет, передача видеоизображений, видеоконференций и т.д. В соответствии с этими требованиями сети 3-го поколения будут обеспечивать передачу данных со скоростью до 2,048 Мбит/с.

Требования к скорости передачи данных для систем 3-го поколения выбирались в соответствии с аналогичными требованиями к цифровым сетям с интеграцией служб ISDN. Скорость передачи данных 144 кбит/с в ISDN используется для организации так называемого базового доступа, при котором передаются два информационных канала В (по 64 кбит/с) и канал сигнализации D (16 кбит/с) [7]. В сетях IMT-2000 скорость 144 кбит/с предполагается для уровня макросот, обеспечивающего 100%-ное покрытие и обслуживание абонентов с высокими скоростями передвижения (до 250 км/ч).

Скорость 384 кбит/с в ISDN предназначена для организации каналов НО (6x64 кбит/с каналов передачи данных), а в сетях IMT-2000 – для уровня микросот, обеспечивающего локальное покрытие областей с высокими требованиями по загрузке и обслуживание абонентов с малыми и средними скоростями передвижения (более 10 км/ч). Скорость 2 Мбит/с в ISDN предназначена для организации каналов Н12 (30x64 кбит/с каналов передачи данных), а в сетях IMT-2000 – для уровня пикосот, обеспечивающего покрытие отдельных помещений внутри зданий и обслуживание в основном стационарных или перемещающихся внутри зданий абонентов.

При организации архитектуры сети UMTS и распределении функций между ее элементами разработчики руководствовались тем, чтобы максимально использовать широко развитую инфраструктуру сетей сотовой связи стандарта GSM и внедрять как можно меньше новых сетевых элементов. Исходя из общей идеологии развития UMTS планируется осуществление эволюционного перехода от существующих технологий 2-го поколения подвижной связи (GSM) к новым возможностям систем UMTS. Зоны покрытия UMTS будут иметь иерархическую структуру, показанную на рис. 9.4 [25].

Рис. 9.4. Иерархия уровней сот сетей 3-го поколения

Как видно из рис. 9.4, сотовая структура сетей UMTS будет иметь три вертикальных уровня.

1. Пикосоты – предназначены в основном для обеспечения покрытия внутри помещений и в тех зданиях (или этажах зданий), где отмечается повышенный спрос на услуги высокоскоростной передачи данных (видеоконференции, мультимедиа и т.д.). Принципы развертывания уровня пикосот будут во многом зависеть от максимально требуемого радиуса действия в тех или иных окружающих условиях (внутри или вне помещений). Радиус действия пикосот может составлять от 10 до 75 м. Абоненты здесь будут иметь низкую подвижность (скорость передвижения менее 10 км/ч) и пользоваться высокоскоростными услугами (до 2 Мбит/с).

2. Микросоты – предназначены для обслуживания абонентов вне помещений путем покрытия отдельных улиц и обеспечения дополнительной емкости для удовлетворения трафика, не поддерживаемого уровнем макросот. По структуре покрытия микросоты будут либо обслуживать локальные площадные области (группы территориально объединенных зданий – бизнес- и выставочные центры, университеты, аэропорты и т.д.), либо максимально приближаться к форме улиц и повторять их топографию. При этом их длина может составлять oт 100 до 400 м. Абоненты здесь будут иметь среднюю подвижность (скорость передвижения более 10 км/ч) и пользоваться речевыми услугами и услугами по передаче данных (до 384 кбит/с); эти группы сот, как ожидается, будут обрабатывать наибольшую нагрузку в сети.

3. Макросоты – предназначены для обеспечения сплошного покрытия обширных районов городских и пригородных зон, где абоненты будут иметь высокую подвижность (скорость передвижения на автомобиле) и пользоваться услугами по передаче речи и данных (до 144 кбит/с).

В проекте UTRA предполагается использовать два метода дуплексного разноса: FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex).

FDD – частотный дуплексный разнос, дуплексная передача с частотным разделением каналов; режим работы линии связи, при которой передача и прием осуществляются на разных частотах.

TDD – временной дуплексный разнос, дуплексная передача с временным разделением каналов. Двусторонняя связь в режиме TDD обеспечивается на одной несущей частоте с временным уплотнением каналов передачи и приема.

Комбинированное использование двух режимов FDD и TDD делает систему гибкой в части использования выделенных полос частот и позволяет менять пропускную способность в зависимости от условий эксплуатации и видов обслуживания. В частности, режим TDD позволяет наиболее оптимально перераспределять ресурсы сети при асимметричном трафике, возникающем, например, при доступе к сети Интернет.

На рис. 9.5 представлена укрупненная архитектура сети UMTS [81]. В структуре сети выделены следующие новые элементы:

- RNC (Radio Network Controller) – контроллер радиосети;

- Node В – узел В, реализующий функции, аналогичные функциям базовой станции. Кроме того, на рис. 9.5 показаны структурные элементы сети GSM, включая сервисный узел SGSN и шлюзовой узел GGSN.

Функциональное сопряжение элементов системы осуществляется посредством ряда интерфейсов, показанных на рис. 9.5. Остановимся кратко на функциональном назначении выделенных структурных элементов сети.

Абонентское оборудование UE (User Equipment) – подвижные, носимые или возимые терминалы, которые посредством радиоинтерфейса взаимодействуют с базовыми станциями сети. Основное отличие абонентского оборудования UMTS от аналогичных устройств сетей 2-го поколения состоит в их расширенной функциональности, обеспечиваемой за счет высоких скоростей передачи информации. Планируется использование как отдельных абонентских станций UMTS, так и двухрежимных GSM-UMTS терминалов.

В функции узлов В (Node В) входит прием и передача радиосигнала, его обработка и формирование транспортных потоков данных. В стандартной конфигурации узел В обеспечивает обслуживание до трех секторов, предоставляя до трех несущих на один сектор. В задачи Node В также входит осуществление мягкой эстафетной передачи обслуживания. Node В взаимодействуют с контроллером радиосети по стандартному интерфейсу.

Контроллер базовых станций RNC по интерфейсу I осуществляет управление узлами В, с которыми он образует подсистему RNS (Radio Network Subsystem), и по интерфейсу I взаимодействует с центром коммутации MSC, а по интерфейсу I – с SGSN.

Рис. 9.5. Укрупненная системная архитектура сети UMTS

Основными функциями RNC являются: управление распределением радиоканалов, контроль соединений, регулирование их очередности, удаленная динамическая коммутация, а также контроль за распределением нагрузки.

Одной из наиболее предпочтительных и эффективных стратегий развития сетей 3G является эволюционное развитие на базе существующей инфраструктуры 2,5G сетей: GSM/GPRS/EDGE. На рис. 9.6 представлен пример организации перспективной сети мобильной связи.

Увеличение скорости доступа абонентов к сети, реализация сквозной пакетной передачи информации накладывает качественно новые требования к магистральному (транспортному) уровню мультисервисной сети мобильной связи, обеспечивающему транспорт информации между функциональными элементами сети. Транспорт информации осуществляется по оптоволоконным линиям с использованием технологий SDH и DWDM. Для пакетной передачи информации на магистральном уровне используются магистральные коммутирующие маршрутизаторы.

Магистральные коммутирующие маршрутизаторы реализуют магистральную IP-сеть с использованием технологии MPLS (Multi Protocol Label Switch). Технология MPLS обеспечивает эффективную маршрутизацию пакетной информации, позволяет решать ряд существующих проблем: обеспечение качества обслуживания (QoS – Quality of Service), управление трафиком, безопасность сети, организация защищенных виртуальных частных сетей (VPN – Virtual Private Network).

Рис. 9.6. Мультисервисная сеть мобильной связи

На уровне управления осуществляются функции коммутации каналов и маршрутизации пакетов, доступ к услугам, управление мобильностью абонентов, доступ в телефонную сеть общего пользования, в сети передачи данных, другие сети мобильной связи. На уровне доступа реализуются функции доступа абонентов к ресурсам сети через: каналы GSM; каналы UTRA; широкополосные системы фиксированного доступа (системы доступа по медному кабелю на основе технологий xDSL, системы доступа по оптическим линиям, гибридные оптико-коаксиальные системы, широкополосные системы радиодоступа и другие).