Системы сотовой связи 3-го 4-го поколения. Основные стандарты особенности развития.

Как неоднократно упоминалось, линия, разделяющая первые два поколения мобильной связи, весьма отчетлива: стандарты первого поколения (NMT-450, NMT-900, AMPS, TACS и др.) были аналоговыми, тогда как появившиеся в первой половине 1990-х гг. системы второго поколения (GSM, D-AMPS, PDC/JDC) воплотили многие потенциальные преимущества цифровой передачи сообщений (эффективная компрессия данных, помехоустойчивое кодирование, простота реконфигурирования, технологичность и стабильность аппаратных средств и т.д.). Cистемы первого поколения все еще функционируют и даже расширяются в некоторых регионах земного шара, однако многие страны с развитой телекоммуникационной инфраструктурой практически отказались от их использования, найдя более рациональные варианты утилизации отводившихся им прежде диапазонов частот (GSM-450, GSM-800). В Финляндии, к примеру, являющейся одним из мировых лидеров в области передовых информационных технологий, операторы сетей NМТ вывели последние из эксплуатации к концу 2000 г. В ходе стремительной экспансии коммерческих сетей мобильных телекоммуникаций довольно быстро стало очевидным, что потенциальный спектр предоставляемых ими услуг может простираться далеко за рамки первоначального назначения - беспроводного телефонного сервиса. Среди экспертов в области информационного маркетинга на определенном этапе утвердилось убеждение, что транснациональные электронные гиганты могут не выжить в телекоммуникационном секторе бизнеса, если не выступят со стратегическими инициативами, существенно раздвигающими горизонты сетей мобильной связи. Огромным стимулирующим фактором при этом явилось взрывное развитие Internet и охват им невиданной по своим масштабам аудитории. В итоге мобильные системы связи XXI века стали рассматриваться как универсальные сети, обеспечивающие высокоскоростной информационный обмен с потребителем, не ограничивая свободы перемещения последнего и поддерживая в любой географической точке Земли качество услуг на уровне того, которое могло бы быть предоставлено любой самой продвинутой стационарной сетью транспортировки информации (ISDN, LAN и пр.). При этом формат передаваемых данных может быть самым

разнообразным: обычный телефонный разговор, компьютерные файлы, факсимильные, мультимедийные и аудиовизуальные сообщения, Internet-пакеты, электронная почта и др. Нетрудно понять, что в рамках стандартов второго поколения подобная программа не представляется осуществимой в первую очередь из-за низких скоростей передачи данных. Спецификация GSM, например, предусматривает скорости 9,6 или 14,4 кбит/с, в то время как для передачи мультимедийных данных требуются многократно большие скорости.

Отметим, что сообществом GSM предприняты активные шаги в направлении приближения стандарта к новым реалиям. В литературе соответствующие предложения часто упоминают как "поколение 2,5" (2,5G), характеризуемое тремя основными дополнениями к базовому стандарту. Первое, обозначаемое аббревиатурой HSCSD (high-speed circuit-switched data), состоит в предоставлении одному и тому же пользователю нескольких слотов в GSM-кадре, что увеличивает скорость передачи в соответстующее число раз. Второе - GPRS {general packet radio service) - предусматривает организацию специального канала пакетной передачи со скоростями до 115 кбит/с (или даже выше, но без помехоустойчивого кодирования). Наконец, третье – EDGE (enhanced data rates for global evolution) - подразумевает введение, наряду с гауссовской МЧМ, добавочного модуляционного формата: восьмеричной ФМ, утраивающей скорость передачи в рамках фиксированного частотного ресурса.

Согласно рекламным материалам, совокупность всех названных мероприятий позволит повысить скорость передачи до 384 кбит/с. Разумеется, компании, насыщающие рынок аппаратурой других стандартов, стремятся избежать роли аутсайдеров и анонсируют усовершенствования аналогичного плана. Примером этого служит реализованный в рамках стандарта IS-95 обмен абонентской емкости на скорость передачи, позволяющий поднять последнюю до 115 кбит/с. Однако временный, переходный характер такого рода модернизаций очевиден: максимизация скорости означает предоставление всего имеющегося ресурса единственному потребителю, а ухудшение качества связи, сопутствующее применению ФМ8 и отказу от канального кодирования, резко ограничит зону обслуживания БС. Поэтому интенсивная работа по подготовке нового стандарта мобильной связи, откликающегося на вызовы XXI века, началась еще до возникновения вышеупомянутых проектов.

Инициаторами и наиболее заинтересованными субъектами разработки стандартов третьего поколения (3G) явились Международный Телекоммуникационный Союз (ITU - International Telecommunication Union),

Европейский институт телекоммуникационных стандартов (ETSI – European Telecommunication Standards Institute), ассоциации радиопромышленников США(TIA - Telecommunication Industry Association) и Японии (ARIB -Association of Radio Industries and Businesses), органы, представляющие интересы

телекоммуникационных сообществ Китая и Кореи, а также крупнейшие корпорации, определяющие конъюнктуру мирового рынка (Nokia, Eriksson, Qualcomm, Motorola, Lucent, Nortel и др.). Несмотря на то что история вопроса укладывается в весьма непродолжительный временной отрезок, ее повороты и коллизии уже составили сюжет весьма объемистых томов. Первоначальный энтузиазм по поводу грядущего единого всемирного стандарта довольно быстро иссяк, когда вскрылись истинные масштабы разногласий, разделяющих потенциальных партнеров. Одним из камней преткновения оказалось несоответствие распределений частот в различных частях света, затрудняющее стандартизацию диапазонов и отягощающее выработку единой системной концепции. Другим серьезным препятствием явилось естественное стремление ряда корпораций, особенно

лидеров в продвижении систем стандарта IS-95 (QUALCOMM, Lucent и т.д.), максимально сгладить производственные проблемы, неизбежно сопровождающие переход на новые технологии, и соблюсти преемственность между 2G и 3G стандартами. Позиции сторон временами становились столь непримиримыми, что сама идея консолидации подходов казалась нереальной. Однако, в итоге многочисленных взаимных уступок, компромиссов и попыток гармонизации проектов относительное согласие к 2000 году было все же

достигнуто. В его основу легла трактовка, допускающая сосуществование под общим флагом 3G стандарта параллельных спецификаций (семейство IMT-2000), отражающих корпоративные точки зрения определенных групп при сохранении единого понимания задач мобильной связи в наступившем столетии и унификации некоторых наиболее весомых системных показателей. Согласованные базовые требования, определяющие философию 3G, в укрупненной формулировке таковы:

• скорость передачи данных до 2 Мбит/с в пределах полосы не более 5 МГц;

• возможность варьирования скорости в широком диапазоне в зависимости от характера передаваемых данных;

• возможность мультиплексной передачи в рамках одного контакта данных разнообразного содержания и разного уровня требований к качеству (речь, мультимедиа, пакеты и т.п.);

• сосуществование систем 2G и 3G и возможность эстафетной передачи между ними с целью расширения зон покрытия и выравнивания трафика;

• поддержка асимметричного режима работы, когда линия "вниз" имеет значительно более напряженный трафик (например, при поиске информации в Internet) по сравнению с линией "вверх";

• возможность реализации дуплексной передачи в вариантах как частотного, так и временного разноса линий "вниз" и "вверх";

• максимальная гибкость сетевого оборудования и возможность построения его на основе "набора инструментов" (toolbox);

• доступность мобилизации наиболее современных резервов улучшения качества связи (адаптация к условиям распространения, пространственная селекция терминала - smart-антенны, многопользовательские - multiuser-

приемники и т.д.).

К середине 2002 г. лидирующие позиции закрепились за двумя проектами, общей платформой которых является технология кодового разделения (CDMA). Первый из них - UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) является продуктом кооперации Евросоюза (в лице ETSI) и Японии (ARIB) и имеет действенную поддержку со стороны Кореи, Китая, а также многих корпораций Европы и США. Хотя радиоинтерфейс UMTS, получивший название UTRAN (Universal Terrestrial Radio Access т Network), основан на кодовом разделении и практически не имеет ничего общего с физическим уровнем GSM, на сетевом уровне предлагаемый стандарт целиком опирается на "готовую" инфраструктуру GSM. Поэтому он особенно выгоден фирмам-поставщикам оборудования GSM, ряд из которых (Nokia, Eriksson) принимал самое непосредственное участие в его разработке и, благодаря активности все тех же компаний, имеет все шансы выйти на эксплуатационную стадию уже в 2002 г. Для завершения работы над спецификацией стандарта создано организационное ядро 3GPP (3G Partnership Project), наименование которого часто используется как синоним названия самого проекта UMTS.

Второй проект, известный под именем cdma2000, является максимально преемственным по отношению к системе cdmaOne (IS-95) и настойчиво продвигается компаниями Qualcomm, Lucent и Motorola – основными поставщиками и операторами действующих CDMA-систем. Учитывая масштабы распространения cdmaOne в США и на азиатском субконтиненте, можно не сомневаться в жизнеспособности и перспективности названного проекта.

Процесс доводки спецификации этого стандарта также интернационализирован и контролируется органом, называемым 3GPP2 (3G Partnership Project number 2).

G Основная статья: 3G

Все перечисленные выше цифровые системы второго поколения основаны на методе множественного доступа с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access — TDMA). Однако уже в 1992—1993 гг. в США был разработан стандарт системы сотовой связи на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access — CDMA) — стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995−1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, причём в Южной Корее -наиболее широко, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц. Направление персональной связи нашло своё преломление и в Японии, где в 1991—1992 гг. была разработана и с 1995 г. начала широко использоваться система PHS диапазона 1800 МГц (Personal Handyphone System — буквально «система персонального ручного телефона»).

G Основная статья: HSDPA

HSDPA (англ. High-Speed Downlink Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) — стандарт мобильной связи, рассматривается специалистами как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвёртого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/сек., практическая достижимая в существующих сетях — около 3 Мбит/сек.

4G Технологии, претендующие на роль 4G (и очень часто упоминаемые в прессе в качестве 4G):

LTE, TD-LTE, Mobile WiMAX, UMB,HSPA+. В настоящее время запущены сети WiMAX и LTE. Первую в мире сеть LTE в Стокгольме и Осло запустил альянс TeliaSonera/Ericsson — расчётное значение максимальной скорости передачи данных к абоненту составляет 382 Mbps и 86 Mbps — от абонента. Насчёт UMB планы внедрения не известны, так как ни один оператор (в мировом масштабе) не заключил контракт на его тестирование. Стоит отметить, что стандарт WiMAX не все относят к 4G, так как он не интегрирован с сетями предыдущих поколений таких как 3G и 2G, а также из-за того, что в сети WiMAX сами операторы не предоставляют традиционные услуги связи, такие как голосовые звонки и SMS, хотя и пользование ими возможно при использовании различных VoIP сервисов. IMT разрешил сетям HSPA+ называться 4G, т.к. они обеспечивают соответствующие скорости.