Стандарты третьего поколения

5.2. Системы третьего поколения

WCDMA

Широкополосный CDMA (WCDMA) — система, одобренная большинством операторов, которые способны получить новый спектр частот. Она была разработана японской фирмой ARIB в 1998 году. Одна из основных характеристик разработки — хэндовер к системе GSM. Сети GSM не могут быть модернизированы для работы с WCDMA, хотя некоторые части системы GSM, такие, как услуги пакетной радиопередачи (GPRS — General Packet Radio Service), могут многократно транслироваться через сеть CDMA.

Ширина полосы, которая отводится для одного канала WCDMA, равна 5 МГц. Возможно увеличение скорости до 10 МГц и далее до 20 МГц.

Это в четыре раза больше, чем cdma One, и в 25 раз — чем GSM. Широкая частотная полоса была выбрана, чтобы позволить более высокие скорости данных, но только в не переполненной области спектра с очень хорошим приемом. Другое важное отличие WCDMA от cdma One — отсутствие потребности в синхронизации времени. WCDMA был разработан, чтобы работать без сигналов синхронизации от глобальной навигационной системы^{1Система военного применения, в настоящее время широко используется для решения гражданских задач, в частности, для навигации и определения точного времени.} (GPS — Global Positioning System). Имеются различия в кодировании: в WCDMA для кодирования используются не коды Уолша, а коды Голда. Для передачи в канал они объединяются с помощью той же QPSK-модуляции, как и в cdma One.

Все это позволяет передавать данные с максимальной скоростью приблизительно 2048 Мбит/c в пределах одной соты. Скорость в канале — 3,84 Мбит/c (7,8 и 15,6 Мбит/c). При этом предусматривается метод прямого расширения спектра (DS-CDMA).

Каждый канал повторно используется каждой сотой, повышая спектральную эффективность по сравнению с системами TDMA.

WCDMA предоставляет возможность мягкого хэндовера, но при взаимодействии с GSM такой тип хэндовера не поддерживается.

TD-WCDMA

TD-WCDMA (Time Division-Wideband Code-Division-Multiple-Access) звучит противоречиво и часто называется гибридом между TDMA и CDMA. При этой методике, как и в TDMA, несущая частота разбивается на канальные интервалы, но каждый канальный интервал "уплотняется" несколькими CDMA-сигналами, преобразованными с помощью ортогональных кодов (см. расширение в части 2 CDMA). В этом методе сохраняется методика мультиплексирования CDMA. Основными параметрами такой методики являются: частота, канальный интервал и код. На рис. 5.5 показан кадр системы TD-CDMA.

Рис. 5.5. Кадр системы TD-CDMA (параметры UMTS)

В UMTS для двухсторонней связи разрешено применение частотного дуплексного разделения (FDD — Frequency Duplex Division) и временного дуплексного разделения (TDD Time Duplex Division).

При FDD в различных направлениях используются различные частоты, разделенные полосой 190 МГц. Очевидно, что если спектр лимитирован, то выделение парных полос частот затруднительно.

Временное разделение (TDD) разделяет прямой и обратный поток по времени. Мобильная станция и базовая станция поочередно используют одну и ту же частоту в разных направлениях. В этом случае можно уменьшить величину занимаемой полосы и не требуется разделение спектра на парные частоты. Этот способ наиболее приемлем для небольших сот, поскольку интервал приема/передачи зависит от времени распространения информации. Однако для временного разделения часто выходом является применение асимметричных скоростей в прямом и обратном направлении. Метод TDD может оказаться более эффективным в пикосотах для работы с компьютерами (Интернет) беспроводным способом.

В WCDMA несущие частоты выделяются в соответствии с заданными методами доступа для каждой частоты. При выдаче лицензии для каждого канала указывается, должен ли он использоваться в направлении от абонента к станции или от станции к абоненту либо в непарном режиме. На рис. 5.6 показан пример разделения диапазона между операторами на 12 парных каналов и 7 непарных каналов.

Рис. 5.6. Пример распределения частот при использовании WCDMA/UMTS

UMTS

С 1996 г. разрабатываемый европейский стандарт WCDMA был известен как универсальные службы мобильной связи (UMTS — Universal Mobile Telecommunications Services). Для руководства его разработкой был создан Форум UMTS и группа, ответственная за развитие GSM, — чтобы новый проект был так же успешен, как GSM, быстро распространяясь по остальному миру. Форум UMTS успешно разработал рабочие предложения WCDMA, совместимого с GSM.

Однако первыми применили его в Японии. Операторы Японии нуждались в новой 3G-системе, потому что возможности предоставления 2G резко сокращали емкость. Первые сети WCDMA были установлены в Японии операторами NTT DoCoMo и Jphone [44].

Компания NTT DoCoMo определила три приложения, которые необходимо поддерживать. В эти приложения были включены дополнительные услуги, иные, чем это определило ITU. Система содержала речь и видео более чем 8 Кбит/c и 64 Кбит/c соответственно, двухсторонние соединения 348 Кбит/c для автомобилей и для связи с интеллектуальной транспортной системой (центральный компьютер дистанционного управления трафиком на дорогах).

В настоящее время международный консорциум операторов связи и производителей связной аппаратуры NTT DoCoMo, Vodafone, Cingular Wireless, Siemens и Alcatel ведут работы по созданию телекоммуникационных мобильных сетей четвертого поколения (4G), окончание которых планируется через 1,5–2 года. NTT DoCoMo, в частности, уже удалось достичь скорости передачи данных на мобильный терминал в 1 ГБ в секунду. Правительство Японии планирует начать коммерческое использование 4G-связи в 2010 году.

cdma One

Из систем второго поколения 2G только cdmaOne уже базируются на CDMA. Это дает преимущества в движении к системам 3G, так как операторы могут модернизировать их существующие сети с помощью нового программного обеспечения или новой системой модуляции, а не вводя новые системы радиосвязи. Эти обновления все вместе известны как cdma2000 и все совместимы с существующими I-95-системами.

До середины 2000 г. путь обновления для cdma не казался ясным. Результат, как предполагалось, должен был стать системой, названной CDMA-2000-3XMC, которая могла комбинировать 3 канала системы cdma One Расширяла пропускную способность. К сожалению, эта система не была совместима с WCDMA, одобренной Европой и Японией, хотя их спецификации почти идентичны. Разница состоит в скорости чипа. В CDMA-2000 скорость чипа должна быть кратна скорости cdmaOne, а для WCDMA скорость чипа должна быть приспособлена к структуре тактовой синхронизации GSM.

В 2000 г. Motorola и Nokia вместе начали разработку системы, названной 1 Xtreme, в которой, по их утверждению, можно достигнуть скоростей, подобных 3XMC, но при этом использовать только один канал и, следовательно, одну треть спектра. Это утверждение пока еще не доказано, и некоторые аналитики говорят, что разработчики просто хотят обойти многие из патентов конкурента CDMA — Qualcomm. Однако если эти планы окажутся реальными, то CDMA1 Xtreme действительно представит операторам cdmaOne шанс увеличить емкость любой конкурирующей системы. Параметры конкурирующих вариантов модернизации CDMA перечислены в табл. 5.2 вместе с I-95b и WCDMA. В этой таблице значения реальной пропускной способности даны только по оценкам и надеждам изготовителей [128].

Для всех cdmaOne-операторов следующий шаг после IS-95b — система, названная 1 XMC (MC — Multi-Carrier — "много несущих"). Она требует новых аппаратных средств для базовых станций и базовых контроллеров, но ей не нужен новый радиоинтерфейс; она позволяет вдвое увеличить пропускную способность, используя каждый из кодов Уолша дважды. Это настолько похоже на предыдущие стандарты, что иногда систему называют IS-95c.

3XMC

3XMC — CDMA - 2000-предложение, принятое ITU как часть IMT-2000. Его требуемые рабочие характеристики почти идентичны WCDMA, но он нуждается в меньшем диапазоне частоты и использует в некоторой степени решения cdmaOne, например, скорость чипа и потребность в синхронизации GP. ITU выражает надежду, что будут разработаны терминалы, которые могли бы легко адаптироваться для обеих систем — WCDMA и 3XMC.

HDR

Высокоскоростная передача данных (HDR — High Date Rate) — модернизация 1XMC, предложенная Qualcomm. Она приспосабливает канал 1,25 МГц к передаче данных и увеличивает скорость, используя различные типы модуляции. Вместо QPSK она может применять 8-PSK (8-фазная манипуляция) или 16-QAM (квадратурно-амплитудная модуляция).

Эти виды модуляции позволяют увеличить скорость передачи информации.

Применяя 16-QAM, можно увеличить максимальную скорость передачи данных до 2,4 Мбит/c от станции к абоненту и до 307,2 Кбит/c на канале связи от абонента к станции.

Этот диапазон используется всеми абонентами станции и разделен с помощью кода Уолша на 32 канала, из которых 3 служебных.

Канал связи от абонента к станции разделяется с помощью TDMA на 240 временных слотов, каждый из которых может быть предоставлен отдельному абоненту. Однако следует учитывать, что система должна предоставлять двустороннюю связь.

Пропускная способность понижается в условиях большой интерференции, поскольку 16-QAM требует соединения с малым уровнем помех. Как только сигнал становится слабым, модуляция понижает число фазовых состояний до 8-PSK или QPSK. Поскольку HDR может использоваться только для данных, он не может быть конкурентом 3XMC. Компания Qualcomm утверждает, что это — промежуточный шаг, который будет сделан перед запуском полной системы 3XMC.

1Xtreme

Система, разработанная совместно Nokia и Motorola, 1Xtreme [123] выставлена на продажу как конкурент и HDR, и 3XMC. Он использует те же методы модуляции, что и HDR, но применяет их для передачи как речи, так и данных.

Не все 3G-системы базируются на CDMA. На основе TDMA разработана новая технология, названная увеличением скорости данных для содействия эволюции GSM (EDGE — Enhanced Data rate for GSM Evolution). Из названия ясно, что она была запланирована как модернизация сети GSM для операторов, которые уже развернули системы HSCSD (High Speed Circuit Switched Data — высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией каналов) и GPRS (General Packet Radio Service — услуги пакетной радиопередачи).

EDGE (UWCC-136)

Система EDGE планировалась для того, чтобы операторы GSM могли ее применить в существующей сети в процессе перехода к UMTS. При этом они могли использовать в своих интересах спектр IMT-2000. Поскольку UMTS может выполнять хэндовер к GSM, обе эти технологии были бы совместимы, и большое количество терминалов, проданных в Европе, были бы способны работать через обе системы.

Все изменилось, когда EDGE был создан UWCC (Universal Wireless Communications Consortium — Консорциум универсальной беспроводной связи), совет, представляющий американскую промышленность выпускающую TDMA. Работая с GSM-Ассоциацией, они разработали способ модернизации D-AMPS к EDGE. Объяснение этого факта простое: DAMPS выполнила свою задачу, так что операторам надо было строить новые сети 3G. И CDMA2000, и WCDMA были рассчитаны на построение этих новых сетей, но проблема была в широких каналах. Любая система радиосвязи, чтобы работать, нуждается по крайней мере в одном канале, а для оператора это необходимость новой лицензии.

Новый радиоинтерфейс EDGE, созданный на основе стандартов GSM, обеспечивает плавный переход к системам радиосвязи 3-го поколения, позволяя увеличить скорость передачи данных до 384 Кбит/с. Что же касается более высоких скоростей передачи (от 2048 Кбит/с), которые определены в IMT-2000 для новых поколений пико- и микросотовых сетей, то их предполагается реализовать во второй фазе спецификаций.

Ширина канала EDGE — 200 кГц, такая же, как у GSM. Даже условия повторного использования каналов одинаковы. В 2000 г. ITU принял EDGE как режим IMT-2000 и стандартизировал его как UWC-136. В спецификациях EDGE заложены принципиально новые по сравнению с GSM возможности. В первую очередь это автоматическое распознавание типа модуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в требуемый режим. Усовершенствованный метод модуляции позволяет абонентской радиостанции автоматически адаптироваться к качеству канала радиосвязи, причем самые высокие скорости передачи обеспечиваются, безусловно, в наиболее благоприятных условиях распространения радиоволн (например, вблизи базовых станций). В табл. 5.3 приведены сравнительные характеристики систем EDGE и WCDMA [20].

Технология EDGE предусматривает организацию двух служб: усовершенствованной службы пакетной передачи (EGPRS — Enhanced GPRS) и усовершенствованной службы коммутации каналов (ECSD — Enhanced Circuit Switched Data). Она унаследовала почти все свои главные особенности от GSM и GPRS, включая структуру кадра TDMA с восемью слотами длиною слота 0,577 мс. Разница заключается в схеме модуляции. Вместо двоичной GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying — гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом), применяется 8-PSK, такая же, как в HDR. Это сразу утраивает пропускную способность по сравнению с GSM.

Услуги EDGE могут быть предоставлены обычному клиенту GSM для передачи речи и данных. Однако операторы, установившие эту систему, предоставляют также услуги GPRS (пакетная радиопередача) и HSCSD (высокоскоростная передача данных в сетях с коммутацией). По этой причине услуги, предоставляемые EDGE, упоминаются иногда как EGPRS и EHSCSD. Для клиентов, которые не имеют оборудования EDGE, терминал полностью совместим с терминалом GSM. Поскольку 8-PSK более восприимчив к ошибкам, чем GMSK, EDGE имеет девять различных схем модуляции и кодирования (табл. 5.4). Каждая предназначена для различного по качеству соединения. Они отличаются по количеству исправляемых ошибок. Смена режима кодирования производится каждый раз, когда декодируемый предыдущий блок принимается с низкой достоверностью. В результате следующий блок данных передается с более высокой помехозащищенностью (режим 8-PSK).

EDGE Compact

Чтобы сделать процесс внедрения EDGE более простым для операторов D-AMPS, Всемирный консорциум беспроводной связи (UWCC) предлагает определенный упрощенный стандарт, названный EDGE Compact. Он может использоваться только для передачи данных, а не речи. Он не требует многих из каналов управления, которые есть в полномасштабной системе.

EDGE Compact можно рассматривать как промежуточный вариант. Его задача — обеспечить скоростную передачу данных для пользователей, которые используют речевую службу D-AMPS. Передача данных "поверх" речи подобна функциям HDR на сетях CDMA.

5.3. Краткие итоги лекции 5

• Наиболее важные требования к системам 3G: глобальный роуминг, сочетание пакетной коммутации данных и коммутации каналов, обеспечение передачи речи, данных и мультимедийных услуг, высокая скорость передачи данных, повышение скорости передачи данных до 2 Мбит/с.
• Для IMT-2000 определены три различных скорости: 144 Кбит/с — скорость, принятая для ISDN; 384 Кбит/с — минимально необходимая по качеству для видеосвязи; 2048 Мбит/c — скорость, которая может быть достигнута внутри здания при низкой мобильности пользователя.
• Стандарт третьего поколения обеспечивает следующие основные услуги: речь, голосовая почта, передача сообщений, коммутация пакетов, коммутируемые данные, мультимедиа (средней скорости), мультимедиа (высокой скорости), диалоговое (интерактивное) мультимедиа (высокой скорости).
• Совместимость с другими системами может быть достигнута с помощью: прямой модернизации, роуминга, хэндовера (передачи соединения).
• В настоящее время разработаны несколько систем третьего поколения. Их свойства ориентированы на состояние мобильной связи и применяемые системы в различных странах.
• Широкополосный CDMA (WCDMA) — система 3-го поколения. Одна из основных характеристик разработки — простой хэндовер к системе GSM. WCDMA может работать без сигналов синхронизации от глобальной навигационной системы (GPS — Global Positioning System). В WCDMA для кодирования используются коды Голда. Для передачи в канал они объединяются с помощью той же QPSK-модуляции, что и в CDMA One. Все это позволяет передавать данные с максимальной скоростью приблизительно 2048 Кбит/с.
• В системе TD-WCDMA, как и в TDMA, несущая частота разбивается на канальные интервалы, но каждый канальный интервал "уплотняется" несколькими CDMA-сигналами.
• В UMTS для двухсторонней связи разрешено применение частотного дуплексного разделения (FDD - Frequency Duplex Division) и временного дуплексного разделения (TDD – Time Duplex Division).
• При FDD в различных направлениях используются различные частоты, разделенные полосой 190 МГц. Временное разделение (TDD) разделяет прямой и обратный поток по времени. Мобильная станция и базовая станция поочередно используют одну и ту же частоту в разных направлениях.
• Европейский стандарт WCDMA известен как универсальные службы мобильной связи (UMTS — Universal Mobile Telecommunications Services). CDMA-2000 совместима с существующей системой CDMA (по стандарту I-95) и не совместима с WCDMA.
• 3XMC — CDMA2000-предложение, принятое ITU как часть IMT-2000. Его требуемые рабочие характеристики почти идентичны W-CDMA, но он нуждается в меньшем диапазоне частоты и использует в некоторой степени решения cdmaOne.
• Высокоскоростная передача данных (HDR — High Date Rate) — модернизация 1 XMC, предложенная Qualcomm. Она приспосабливает канал 1,25 МГц к передаче данных и увеличивает скорость, используя различные типы модуляции.
• Система 1Xtreme разработана совместно Nokia и Motorola. 1Xtreme — конкурент систем HDR и 3XMC. Он использует те же методы модуляции, что и HDR, но применяет их для передачи как речи, так и данных.
• EDGE (UWCC-136) разработан для того, чтобы операторы GSM могли его применить в существующей сети в процессе перехода к UMTS. В спецификациях EDGE заложены принципиально новые по сравнению с GSM возможности. В первую очередь это автоматическое распознавание типа модуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в требуемый режим.
• Чтобы сделать процесс внедрения EDGE более простым для операторов D-AMPS, Всемирный консорциум беспроводной связи (UWCC) предлагает определенный упрощенный стандарт, названный EDGE Compact. Он может использоваться только для передачи данных, а не речи. Он не требует многих из каналов управления, которые есть в полномасштабной системе.