Обзоры
Сотовые сети: в ожидании «третьего пришествия»
0

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

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).

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.

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

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.

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.


Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: