Обзоры

Сотовые сети: в ожидании «третьего пришествия»

Индустрия мобильных коммуникаций под давлением пользователей, стремящихся сохранить информационный комфорт независимо от своего местопребывания и времянахождения, лихорадочно работает над новыми технологиями беспроводного доступа, получившими название "сети третьего поколения", или Third Generation Wireless Networks (3G). Задача усложняется требованием операторов и провайдеров услуг осуществить переход на новую технологию без радикального разрушения существующей инфраструктуры.

Беспроводные сети третьего поколения изменят не только возможности, но и стиль коммуникаций. Их концепция смещает ориентацию с голосового на мультимедийное содержание. Они обещают предоставить мультимедийные и видеоданные в реальном режиме времени. Вместо того чтобы держать терминалы у уха и слушать, люди будут на них смотреть, а набор hands free сменится на eyes free. Однако прежде чем рассмотреть перспективы и особенности сетей 3G, вспомним предыдущие поколения.

Вчера и сегодня мобильной связи

Сотовые сети: в ожидании "третьего пришествия"Первая генерация беспроводных мобильных коммуникаций базировалась на аналоговой технологии. Она предназначалась для передачи голоса и поддерживала механизм коммутации каналов. Наиболее известными аналоговыми мобильными телефонными системами являются Advanced Mobile Phone System (AMPS) и Total Access Communications System (TACS). Первая получила широкое распространение в Северной и Южной Америке и в Азиатско-Тихоокеанском регионе, тогда как вторая — в Европе.

Вторая генерация (2G) была уже ориентирована на низкоскоростную передачу цифровых данных. Наиболее популярная технология известна как Global System for Mobile Communications (GSM). Первая такая система была реализована в 1991 г., и сегодня GSM развернута более чем в 140 странах мира и насчитывает около 248 млн. абонентов. Система оперирует в диапазонах 900 MHz и 1,8 GHz, занимая полосу 25 MHz. В качестве метода доступа используется комбинация FDMA и TDMA. Вся полоса делится на 124 несущих, каждая из которых занимает поддиапазон шириной 200 kHz. Базовые станции привязываются к одной или более частотам и осуществляют передачу данных с помощью TDMA. В целях полноты отметим, что наряду с GSM существуют также и другие технологии. Это, в частности, IS-136, или Digital AMPS; Personal Digital Cellular (PDC); IS-95, или cdmaOne. Последняя в качестве метода доступа использует мультиплексирование с разделением по кодам (Code Division Multiple Access — CDMA).

Сотовые сети: в ожидании "третьего пришествия"
Motorola развивает линейку V.box: в терминалах для 3G появятся цветной экран и видеокамера

Хотя 2G-сети и расширили круг исполняемых приложений, позволяя, к примеру, получать факсы и короткие сообщения (SMS), тем не менее, будучи ориентированными на технологию коммутации каналов и имея пропускную способность 9,6 Kbps, они не давали возможности просматривать Web-страницы и доставлять мультимедийный трафик. Стремясь убить двух зайцев — предоставить пользователям требуемые услуги и вместе с тем сохранить развитую инфраструктуру — индустрия разрабатывает сети 2G+. Системы 2G+ базируются на трех технологиях. Это High Speed Circuit-Switched Data (HSCSD), General Packet Radio Service (GPRS) и Enhanced Data Rates for Global Evolution (EDGE).

HSCSD, поддерживая все ту же технологию коммутации каналов, сумела повысить скорость передачи до 57,6 Kbps посредством объединения в один логический канал четырех радиоканалов по 14,4 Kbps каждый.

GPRS рассматривается как промежуточный шаг навстречу сетям 3G. Его разработали с целью позволить миру GSM реализовать весь спектр сервисов Internet, не ожидая полномасштабного развертывания 3G-систем. GPRS базируется на коммутации пакетов и может работать параллельно с 2G GSM, PDC и другими TDMA-системами, которые используются для голосовых коммуникаций. Упаковывая данные в восемь временных слотов, технология позволяет достичь пропускной способности 115 Kbps. Опираясь на IP-магистрали, GPRS предоставляет мобильным пользователям доступ к сервисам Internet, таким, как SMTP/POP-базированная электронная почта, Web-сервисы ftp и HTTP.

Технология EDGE разработана для повышения эффективности временных слотов как для HSCSD, так и для GPRS. В первом случае она получила название ECSD, тогда как во втором — EGPRS. Для ECSD максимальная скорость не может превышать 64 Kbps вследствие ограничений так называемого А-интерфейса, однако для EGPRS за счет применения схемы модуляции 8-PSK удается добиться пропускной способности более 384 Kbps.

Забегая вперед, отметим, что архитектура 3G-сетей по отношению к GPRS является преемственной. Поэтому, хотя наш еженедельник (# 24, 2000) уже опубликовал достаточно подробную статью о сетях GPRS, мы из соображений удобства напомним основные особенности их архитектуры (рис. 1). Мы не будем приводить русскоязычные эквиваленты названий, рассчитывая на определенную подготовленность наших читателей.

Сотовые сети: в ожидании "третьего пришествия"Итак, сеть GPRS включает IP-базированную Public Mobile Land Network (PMLN), Base Station Service (BSS) и Mobile Switching Centers (MSC) для доступа к сетям с коммутацией каналов. В PMLN входят Serving GPRS Support Nodes (SGSN) и Gateway GPRS Support Nodes (GGSN). Эти два компонента взаимодействуют с Home Location Register (HLR) для извлечения профайла мобильного пользователя и завершения вызова. GGSN обеспечивает также связь с внешними Packet Switching Data Networks (PSDN), такими, к примеру, как Internet или X.25. BSS содержит Base Transceiver Stations (BTS) и Base Station Controllers (BSC). В функции первых входит установление связи (CDMA, TDMA) с мобильными терминалами, вторые же направляют потоки данных к PMLN через каналы Frame Relay (FR), а голосовые вызовы — к MSC. В свою очередь, MSC переключают голосовые вызовы на сети с коммутацией каналов PSTN и ISDN. Для сохранения роуминговой информации об абоненте MSC обращается к Visitor Location Register (VLR). При обработке данных BSC маршрутизирует их поток к SGSN, который затем посредством GGSN направляется во внешние сети PSDN. Теперь, пожалуй, можно перейти и к основной теме данной публикации.

Процесс стандартизации:
тяжелое детство

Технология 3G зреет с 1992 г., когда International Telecommunications Union (ITU) начал работу над стандартом, названным IMT-2000. IMT обозначает International Mobile Telecommunications, а число 2000 вначале имело три значения: год, когда система станет доступной, используемый частотный диапазон в MHz и пропускную способность в Kbps. Название прижилось, несмотря на то что ни одно из трех требований не было, по существу, выполнено. Хотя ITU рассматривало IMT-2000 как глобальный стандарт, единодушия как среди органов стандартизации, так и среди ведущих производителей он не вызвал. Поскольку переход к сетям 3G должен был осуществляться постепенно, то каждый тянул одеяло на себя, стремясь обеспечить совместимость со своими системами.

Договоренности о едином стандарте достичь так и не удалось. Вместо этого в октябре 1999 г. представителями от заинтересованных стран был выработан своеобразный пакт о минимально допустимых различиях, удовлетворяющих политические и коммерческие интересы сторон. Компромиссный стандарт IMT-2000 будет оперировать в трех режимах без каких-либо гарантий их совместимости. В соответствии с этим будут реализованы три беспроводных интерфейса: Wideband CDMA (W-CDMA), cdma2000 и Universal Wireless Communication (UWC-136). Рассмотрим вкратце их особенности.

Интерфейсы сетей 3G

Wideband CDMA. Технология CDMA начала использоваться в мобильных коммуникациях только в конце 90-х, хотя и существовала задолго и до компьютеров, и до мобильных телефонов. Ее теоретические основы были заложены еще в 40-х годах, и долгое время она применялась для связи только военными. W-CDMA предполагает использование полосы между 5 и 10 MHz, что делает ее подходящей платформой для приложений, требующих высокой пропускной способности. Важная особенность W-CDMA заключается в возможности реализации асинхронного режима работы базовых станций, что позволяет им не обращаться к глобальной системе позиционирования (GPS).

Физический уровень W-CDMA будет обеспечивать два типа доступа: или по каналу со случайным доступом, или по выделенному (пользовательскому) каналу. Случайный доступ используется только для связи от подвижного объекта к базовой станции (uplink) для передачи коротких и редко следующих пакетов. Соответствующие пакеты могут нести как управляющую информацию, так и данные абонента. Выделенный канал предназначен для более интенсивной передачи в обоих направлениях. Технология предусматривает использование 16 временных слотов длительностью по 10 мс каждый.

cdma2000. Этот радиоинтерфейс будет обратно совместим с 2G-сетями CDMA IS-95, широко распространенными в Соединенных Штатах. Смысл его создания очевиден — защита капиталовложений. Однако для обеспечения совместимости базовые станции должны сохранить синхронный режим работы и поэтому будут продолжать использовать для синхронизации GPS. Для повышения эффективности интерфейса дополнительно к основным операционным состояниям — active (активному) и dormant (спящему) — введены еще два: control hold и suspended, что уменьшает интерференцию в канале трафика, когда терминал находится в активном состоянии, но в холостом режиме. Пропускная способность интерфейса достигает 115,2 Kbps.

UWC-136. Интерфейс является развитием стандарта IS-136, часто называемого North American TDMA (NA-TDMA). Как следует из названия, в отличие от двух предыдущих, этот интерфейс в качестве метода доступа использует TDMA. Целью его разработки было улучшение передачи голоса и данных в используемом сетями IS-136 диапазоне 30 kHz. Транспорт данных будет базироваться на архитектуре GPRS. Так же как и в последней, в UWC-136 вводится новый канал Physical Packet Data CHannel (PDCH). На восходящей связи (от пользователя к базовой станции) PDCH содержит два логических канала: канал случайного доступа и канал полезной нагрузки. Нисходящая же связь включает четыре логических канала: широковещательный, пейджинговый, полезной нагрузки и обратной связи. Для повышения скорости передачи данных будет использоваться адаптивная модуляция. В зависимости от условий, создающихся в канале PDCH, данные внутри временного слота будут кодироваться с помощью либо схемы p/4-DQPSK, либо 8-PSK. В последнем случае удается достичь пропускной способности 58,5 Kbps.

Требования к скорости передачи данных

ITU установил некоторые минимальные требования к скорости передачи данных, которую должен обеспечить стандарт IMT-2000. Она определяется степенью мобильности пользователя. Для высокой мобильности (high mobility), предусматривающей движение по открытой местности со скоростью выше 120 км/час, пропускная способность должна быть 144 Kbps. Полная мобильность (full mobility) подразумевает движение со скоростью менее 120 км/час в городских условиях, а соответствующая пропускная способность должна быть 384 Kbps. Ну и наконец, для ограниченной мобильности (limited mobility) — скорость перемещения — менее 10 км/час в здании или на коротком открытом участке, скорость передачи данных достигает предусмотренного стандартом максимума — 2 Mbps.

Архитектура сетей 3G

Сотовые сети: в ожидании "третьего пришествия"Как уже упоминалось выше, архитектура сетей третьего поколения (рис. 2) во многом наследует архитектуру сетей GPRS. Во многом, но не во всем. Сети 3G требуют новых элементов ядра и беспроводного интерфейса.

С некоторой степенью общности можно сказать, что 3G-сеть состоит из двух основных частей: ядра (Core Network) и сети радиодоступа (Radio Access Network — RAN).

Ядро сети содержит два домена. В домен коммутации пакетов входят 3G-варианты SGSN и GGSN, выполняющие те же функции, что и в сетях GPRS, а домен коммутации каналов включает 3G MSC, отвечающий за коммутацию голосовых вызовов.

Сотовые сети: в ожидании "третьего пришествия"
Экран и видеокамера ненамного увеличат размер терминала Panasonic, который сегодня один из самых маленьких
и легких

RAN функционально не зависит от ядра сети. Она реализует 3G-радиоинтерфейс и содержит два новых элемента: Radio Network Controller (RNC) и Node B. RNC заменяет BSC и обеспечивает управление радиоресурсами и передачей, установку и разъединение вызовов, а также поддерживает связь с доменами коммутации каналов и коммутации пакетов. Node B эквивалентен BTS в 2G-сетях. Взаимодействие между элементами RAN и между RAN и ядром сети осуществляется с помощью интерфейсов Iub, Iur и Iu, в качестве технологии коммутации на уровне 2 использующих АТМ. Интерфейс Iu состоит из двух частей, одна из которых обеспечивает связь с сетями коммутации каналов, а вторая — с сетями коммутации пакетов. Он также базируется на АТМ, причем для голосового трафика используется технология AAL2, а для данных — AAL5 (IP-over-ATM). Эти два трафика коммутируются независимо: голос — через 3G MSC, а данные — через 3G SGSN.

Внедрение новой технологии обычно требует прохождения ряда стадий, которые, в частности, включают стандартизацию, построение инфраструктуры, испытания, наличие терминалов, разработку приложений и т. п. Все это в полной мере относится и к сетям третьего поколения. В индустрии уже существует план развертывания 3G-сетей. Так, летом этого года в Европе планируется запустить в опытную эксплуатацию первую сеть. Базовые терминалы станут доступными в коммерческих количествах в 2002 г., а насыщения как в корпоративном, так и в потребительском секторе планируется достичь в 2004 г. Однако с возможностями 3G-сетей можно было познакомиться уже сегодня. На прошедшей в конце марта в Ганновере выставке CeBIT 2001 ряд ведущих компаний представили свои концепт-модели мобильных терминалов третьего поколения.

Завантаження коментарів...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: