Поколения сетей сотовой связи

Поколения сетей сотовой связи

12.1. Первое поколение 1G

В этой и следующих лекциях второй части книги из всей совокуп¬ности систем радиосвязи рассматриваются только системы сото¬вой связи. Более того, основное внимание уделяется технологиям сотовой связи поколений 2.5G и 3G, хотя знакомство с более ранни¬ми системами 1G и 2G имеет большое значение и помогает нам по¬нимать, как были разработаны решения для систем СПС следующих поколений. Иначе говоря, воспринять, как мы сюда пришли и куда мы идем дальше, гораздо легче, если знать, где мы были.

Сотовая связь, как мы понимаем ее сегодня, реально началась в самом конце 70-х годов прошлого века. Известны результаты опыт¬ной эксплуатации в Чикаго в 1978 году системы AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в диапазоне 800 МГц. Однако потребовалось несколько лет, прежде чем в Соединенных Штатах была запущена первая коммерческая система AMPS, в том же Чикаго, но уже в 1983 году. Вскоре за ним последовали другие крупные города США, также использовавшие на том этапе аналоговые системы стандарта AMPS.

Между этими двумя событиями коммерческая система сотовой связи была запущена в 1979 году в Токио. Европейцы пошли своим путем, и в Швеции, Норвегии, Дании и Финляндии была создана в 1981 году первая европейская система NMT-450 {Nordic Mobile Telephone System), работавшая в диапазоне 450 МГц. Великобрита¬ния внедрила в 1985 году другую технологию, которая называлась TACS {Total Access Communications System), работала в диапазо¬не 900 МГц и, в сущности, являлась модифицированной версией AMPS.

Мобильную связь в стандарте TACS первоначально предлагали операторы мобильной связи ВТ, Cellnet и Vodafone.

Названным примерам последовали многие другие страны, и скоро услуги мобильной связи распространились по всему земному шару. Это открытое для эксплуатации в самом начале 1980-х годов первое поколение сотовой связи 1G уже позволяло реализовать упоминавшиеся в предыдущей лекции ключевые концепции: пов¬торное использование частот в сотах, мобильность терминалов с определением их местонахождения в той или иной соте, непре¬рывность связи при перемещении из соты в соту - хэндовер. То есть уже системы 1G смогли решить одну из основных проблем бес¬проводной связи - передачу установленного соединения от одной радиостанции к другой без потери связи.

Еще одна проблема была решена благодаря повторному исполь-зованию частот, позволившему обслуживать значительно более вы¬сокий объем трафика в одной географической зоне обслуживания. Не вдаваясь в детали, отметим, что системы 1G относятся к одному из двух ключевых стандартов - скандинавскому NMT и американс¬кому AMPS. Оба эти стандарта кратко рассматриваются ниже.

Но прежде было бы справедливо отметить присущие обеим этим системам недостатки. Речь идет о возможности прослушивания переговоров, возможности изготовления клонов мобильных тер¬миналов, перегруженности частотного диапазона вследствие его неэффективного использования. К тому же, свойственное аналого¬вым системам распространение радиоволн в условиях интенсивных городских застроек приводит к возможным замираниям, вызван¬ным многолучевым распространением радиоволн и приводящим к ухудшению качества передачи речи.

И все же нельзя сказать, что системы 1G не оправдали возла¬гавшихся на них ожиданий, их роль в развитии сегодняшних СПС трудно переоценить.

12.2. NMT-450

Как следует из названия, этот стандарт технологии FDMA был совместно разработан скандинавскими странами (Данией, Нор-вегией, Швецией и Финляндией) для диапазона 450 МГц, а после насыщения этого диапазона - и для 900 МГц, получив обозначе¬ние NMT-900. В состав сетевой архитектуры NMT входят центры коммутации подвижной связи МТХ (Mobile Telephone Exchange), базовые станции BS и абонентские терминалы. Центры коммутации МТХ обеспечивают стык с телефонной сетью общего пользования на местном, зоновом и междугородном уровнях. Базовые станции реализуют интерфейс между фиксированной частью системы и мо-бильными терминалами и связаны со станциями МТХ по проводным или радиорелейным соединительным линиям.

В России NMT-450 был признан первым федеральным стандар-том. В 1991 году Оператор «Дельта Телеком» ввел в эксплуатацию первую отечественную СПС в Санкт-Петербурге. Первые мобиль¬ные телефоны сети «Дельта» стоили порядка $2000 и весили 5 кг. В 1995 году было подписано соглашение о взаимном автоматичес¬ком роуминге региональных Операторов NMT-450 в рамках наци-ональной сети. Сегодня систему NMT почти полностью вытеснили стандарты GSM и CDMA, включая и CDMA-450.

12.3. Система AMPS

Система усовершенствованной мобильной телефонной связи, AMPS (Advanced Mobile Phone System) технологии FDMA, изоб-ретенная в знаменитой Лаборатории Белла в 70-х годах XX века, впервые была развернута в Чикаго, США в 1982-1983 годах, а затем распространилась по всей Северной и Южной Америке и Австра¬лии. С этой же системы началась история отечественной оператор¬ской компании «Вымпелком» (торговая марка БиЛайн), входящей в так называемую «Большую тройку» Операторов сотовой связи Рос¬сии. В 1992 году в Москве была запущена пилотная сеть БиЛайн на 200 абонентов, а с 1994 началась коммерческая эксплуатация. Сис¬тема AMPS использовалась также в Англии, Испании, Китае, Новой Зеландии, Гонконге и некоторых других странах, где она называлась TACS.

Существовала также система C-Netz, которая использовалась в Германии, Австрии, Южной Африке и Португалии. Некоторые фун-даментальные характеристики этой системы были унаследованы ее цифровым последователем D-AMPS, относящимся уже к поко¬лению 2G.

Системы 1G созданы примерно на одном технологическом уровне; характерный для систем 1G размер соты в AMPS состав¬ляет обычно от 10 до 20 км, что значительно больше размера сОт в цифровых системах 2G. Каждая сота работает на своих частотах, не пересекающихся с соседними, а использование одних и тех же частот в разных (но не соседних) ячейках дает значительно лучшее использование частотного ресурса. В каждой соте располагается своя базовая станция BS, которая обслуживает все мобильные те-лефоны, находящиеся в зоне ее действия.

Базовая станция состоит из управляющего устройства и приемника/передатчика, соединенного с антенной. Относительно небольшие размеры сот означают меньшую мощность, требуе¬мую для передатчиков. Базовые станции соединены с одним или несколькими центрами коммутации MSC (Mobile Switching Center), иногда называемыми также MTSO (Mobile Telephone Switching Office). Эти центры коммутации соединяются с базовыми станциями, друг с другом и хотя бы с одним коммутационным узлом телефонной сети общего пользования ТфОП, рассмотренной в части 1.

12.4. Система второго поколения D-AMPS

В отличие от аналоговых систем первого поколения системы второго поколения являются цифровыми. Использование циф¬ровой технологии имеет ряд преимуществ, включая увеличенную емкость сети, лучшую защищенность и новые услуги. Подобно сис¬темам первого поколения были разработаны разные типы техноло¬гии второго поколения. В число трех наиболее успешных вариантов технологии второго поколения входят GSM, D-AMPS, CDMA

Первой из перечисленных технологий - GSM целиком посвяще¬на следующая лекция и потому в этой лекции она упоминается лишь вскользь, а несколько подробнее рассматриваются остальные сис-темы.

Полностью цифровая система D-AMPS технологии FDMA опи-сывается международным стандартом IS-136 и предшествующим ему IS-54. Она разработана таким образом, чтобы успешно сосу-ществовать с AMPS. Так, D-AMPS использует те же каналы ЗОкГц, что и AMPS, которые располагаются в том же диапазоне. В России с 1995 года московская сеть БиЛайн начала переход на DAMPS. Сто-имость подключения составляла рекордную сумму около $6000. Система D-AMPS была широко распространена в США и, в несколь¬ко измененной форме, в Японии. Практически весь остальной мир использует системы GSM и CDMA. В России в 2000 году решением ГКРЧ было предписано к 2010 году прекратить эксплуатацию сото-вых СПС стандартов AMPS/D-AMPS и передать частоты для развер-тывания сетей цифрового телевидения. В качестве компенсации потери частот 800 МГц Операторам были предоставлены частоты для GSM 1800.

12.5. Стандарт CDMA

Два вида стандартов - D-AMPS и GSM - традиционные системы, использующие частотное и временное уплотнение для разделения спектра на каналы и разделения каналов на интервалы, о чем го-ворилось еще в предыдущей лекции. Совершенно иначе устроена система CDMA (Code Division Multiple Access), принципы которой перевернули привычные каноны беспроводной связи.

Эти принципы, благодаря активности придумавшей их компании Qualcomm, сделали CDMA распространенной системой мобильной связи 2G; в США ее поддерживает крупнейшая операторская ком-пания Sprint (конкурирующая с работающей на D-AMPS компанией AT&T Wireless), а в России - операторская компания СкайЛинк.

Эта система известна сегодня как IS-95 по имени описывающего ее стандарта, а также под именем cdmaOne. Кроме того, технология CDMA является и базой для систем третьего поколения 3G, о чем ниже. В отличие от NMT, AMPS, D-AMPS и GSM, вместо разделения доступного частотного диапазона на сотни узких каналов в CDMA каждый терминал может при передаче все время пользоваться всем выделенным спектром частот.

Одновременный множественный доступ обеспечивается за счет применения теории кодирования. В [44] предлагается рассмотреть в качестве аналогии CDMA зал ожидания в аэропорту. Множество пар оживленно беседуют. Временное уплотнение можно сравнить с ситуацией, когда все люди находятся в центре зала и говорят по очереди. Частотное уплотнение мы сравним с ситуацией, при кото-рой люди находятся в разных углах и одновременно, но независимо ведут свои разговоры, которые не слышны остальным.

Для CDMA лучше всего подходит сравнение с ситуацией, когда все - в центре зала, однако каждая пара говорящих использует свой язык общения. Русскоговорящие обсуждают свои вопросы, воспринимая чужие разговоры на других языках как шум. Именно такой подход к выделению полезного сигнала при игнорировании всех остальных и является ключевой идеей CDMA.

Рассмотрим эти идеи несколько подробнее. Каждый интервал в CDMA разбивается на m коротких периодов, называемых элемен-тарными сигналами или чипами (chips). Как правило, в интервале помещаются 64 или 128 чипов. Каждому мобильному терминалу соответствует уникальный m-битовый код, называющийся эле-ментарной последовательностью. Чтобы передать 1 бит, терминал посылает свою элементарную последовательность. Чтобы пере¬дать бит со значением 0, нужно отправить вместо элементарной последовательности ее дополнение (все единицы последователь-ности заменяются нулями, а все нули — единицами). Никакие дру¬гие комбинации передавать не разрешается. Таким образом, если т-8 и мобильному терминалу присвоена 8-битовая элементарная последовательность 00011011, то бит со значением «1» передается кодом 00011011 (что соответствует элементарной последователь-ности), а бит со значением «0» передается кодом 11100100 (допол-нение элементарной последовательности). В этой ситуации, чтобы скорость передачи информации составила v бит/с, нужно отправ¬лять mv чипов или элементарных сигналов в секунду.

12.6. Системы 2,5G

При всем разнообразии систем второго поколения техническое развитие на них не остановилось. Практически немедленно начали появляться системы, называемые 2.5G, хотя некоторые из них ана-литики считают более точным называть 2,1G, а другие - 2.75G.

Подробнее же эти системы 2.5G будут обсуждаться в лекции 17, посвященной услугам СПС. Там будут рассмотрены система EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), фактически сохраняющая традиционную технологию GSM с увеличением скорости передачи данных за счет большего количества битов на 1 Гц, а также другая система 2.5G, достигшая большего распространения. Она назы-вается общей услугой пакетной радиосвязи GPRS (General Packet Radio Service), строится на базе как GSM, так и D-AMPS, и позволяет обмениваться IP-пакетами по речевым каналам сотовой связи, для чего определенные временные интервалы на определенных часто-тах резервируются под пакетный трафик.

В лекции 17 будет показано, что система GPRS работает как над-стройка над существующей системой сотовой связи 2G, и ее можно рассматривать как временное решение, которое перестанет быть полезным, когда будет введена в строй 3G.

12.7. Мобильная связь третьего поколения 3G

Работы над 3G начались относительно давно: в 1992 году Меж-дународный союз электросвязи предпринял первую попытку спе-цифицировать систему третьего поколения 3G и выпустил проект под названием IMT-2000 (International Mobile Telecommunications). В нем число 2000 отражало сразу три аспекта: во-первых, оно ука-зывало на год, в котором планировалось ввести в эксплуатацию этот проект; во-вторых, именно в таком диапазоне частот в мегагерцах должна была работать система; в-третьих, в радиоинтерфейсе предполагалось поддерживать как раз такую скорость передачи в кбит/с. Но ни один из этих трех аспектов осуществить не удалось.

В 2000 году система реализована не была. Хотя ITU и рекомен-довал национальным администрациям связи всех стран резервиро-вать частоту 2000 МГц (2 ГГц) для международного роуминга, никто кроме Китая этого не сделал.

Кроме того, было осознано, что практически невозможно выде-лить каждому мобильному абоненту постоянную пропускную спо-собность в 2 Мбит/с, что гораздо разумнее дифференцированный подход: выделить 2 Мбит/с абоненту, который находится дома или в офисе, 384 Кбит/с - абоненту, прогуливающемуся с ограни¬ченной скоростью, и 144 Кбит/с - абоненту, едущему в автомобиле. Предусматривались следующие основные услуги, для которых и задумывалась сеть IMT-2000: высококачественная передача речи, доступ в Интернет, обмен сообщениями (e-mail, факс, SMS, чат), видеоконференции, электронные игры, мобильная коммерция (использование мобильного телефона для оплаты покупок), муль-тимедиа (музыка, видео, фильмы, телевидение). К услугам 3G мы вернемся в лекции 17.

Проект IMT-2000 задумывался как единая технология; именно в таком ключе ITU запросил технические предложения от заинтере-сованных организаций и затем выбирал лучшее из многочисленных представленных технических предложений радиоинтерфейса.