Первые шаги к глобальному стандарту мобильной связи

Разговоры о системах подвижной связи следующего поколения идут уже несколько лет. И вот, наконец, эта технология начинает принимать конкретные очертания - во всяком случае, в Европе.

Произошло событие, которое, несомненно, окажет значительное влияние на дальнейшее развитие мобильной связи в Европе. На состоявшемся в Париже 28-29 января заседании Европейского института по стандартам в области электросвязи (ETSI, European Telecommunications Standards Institute) было принято решение, регламентирующее основные направления развития нового стандарта на радиоинтерфейс для европейских систем подвижной связи следующего поколения под названием UMTS (Universal Mobile Telephone Service). Новый стандарт получил название UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access); предполагается, что именно он будет передан в Международный союз электросвязи (МСЭ) в качестве европейской заявки на технологию радиоинтерфейса для глобального стандарта систем мобильной связи следующего поколения IMT-2000.

Причин разработки нового общемирового стандарта несколько. Число абонентов систем подвижной связи растет очень быстро; степень проникновения этой технологии (т. е. число пользователей мобильной связи в процентах от общей численности населения) в ряде стран измеряется уже десятками процентов. Кстати, лидирует вовсе не США или Япония, а Финляндия: здесь услугами подвижной связи пользуются 45% населения. Если темпы роста числа абонентов не изменятся, то емкости систем второго поколения (GSM, TDMA) может не хватить.

Далее, имеется потребность в организации всемирного роуминга. В какой бы стране ни оказался абонент с мобильным телефоном, он должен получить доступ к услугам связи.

Наконец, технология нового поколения должна поддерживать высокую скорость передачи данных. В частности, необходимо, чтобы она обеспечивала работу мультимедийных приложений. Конкретные значения пропускной способности такие: 144 Мбит/с для быстро перемещающихся абонентов, 384 Мбит/с для пешеходов, 2 Мбит/с для фиксированных терминалов. При этом должна обеспечиваться возможность асимметричного обмена трафиком. (Напомним, что распространенный в настоящее время стандарт GSM дает не более 9600 бит/с, и именно это часто называют одним из главных факторов, сдерживающих широкое распространение услуги доступа в Internet через сотовые сети.) Новую технологию предполагается также использовать для предоставления ряда новых услуг, в частности двустороннего обмена короткими текстовыми сообщениями, доступа в Internet и др.

Предполагается, что под IMT-2000 будут выделены частоты в диапазонах 1885-2025 и 2110-2220 МГц. В США, правда, некоторые из этих частот уже выделены под системы персональных коммуникаций (PCS, Personal Communication Systems), так что пока не вполне ясно, каким образом можно будет обеспечить соблюдение нового стандарта во всем мире.

В настоящее время (до июня сего года) МСЭ собирает заявки на IMT-2000. Затем специальная рабочая группа МСЭ проведет оценку заявок и выработает общую спецификацию для радиоинтерфейса IMT-2000. Планируется, что эта деятельность завершится до конца 1999 г.

Но вернемся в Европу. Работы над проектом UMTS начались еще в 1992 г. На рассмотрение ETSI были представлены пять альтернативных технологий: WCDMA, OFDM, W-TDMA, TD-CDMA и ODMA. Основная борьба развернулась между сторонниками WCDMA и TD-CDMA.

WCDMA продвигали в первую очередь Ericsson (все мы помним, какую сенсацию произвело летом прошлого года сообщение о том, что Ericsson уже несколько лет проводит изыскания в области CDMA) и Nokia. Вокруг TD-CDMA сложилось свое сообщество компаний, в состав которого входят такие гиганты, как Motorola, Siemens, Alcatel, Bosch, Italtel, Nortel и Sony. Технические аспекты технологий-фаворитов рассматриваются во врезках "Широкополосный CDMA" и "Радиоинтерфейс TD-CDMA".

Согласно процедурным правилам, принятым ETSI, для утверждения в качестве стандартной технология должна была набрать 71% голосов участников собрания. Преодолеть этот барьер не смогли ни WCDMA, ни TD-CDMA: первая получила чуть больше 61%, вторая - несколько меньше 39% голосов. Поэтому было принято компромиссное решение, согласно которому в UTRA технология WCDMA должна применяться для парных частотных полос (FDD, Frequency Division Duplex), а TD-CDMA - для непарных частотных полос (TDD - Time Division Duplex).

С точки зрения пользователя, это означает, что для связи с мобильными пользователями, перемещающимися вне зданий, будет использоваться WCDMA, а для фиксированных пользователей и для связи внутри зданий - TD-CDMA. Согласно требованиям стандарта UTRA, мобильные абонентские терминалы должны поддерживать оба режима, TDD и FDD.

Одним из важнейших положений, связанных со стандартом нового поколения, является недопустимость отказа от построенной в Европе развитой инфраструктуры сетей GSM. С этой точки зрения, технология TD-CDMA имеет определенные преимущества. Что же касается WCDMA, здесь, по-видимому, совместимость с GSM предполагается обеспечивать за счет использования комбинированных абонентских терминалов, поддерживающих обе технологии радиоинтерфейса; это может привести к удорожанию мобильных телефонов. Именно в том, чтобы не допустить подорожания абонентских устройств, состоит еще одно требование к UTRA и IMT-2000. Напротив, ставится задача стирания грани между мобильной и фиксированной телефонной связью; в перспективе, не должно быть никакой разницы между мобильным и домашним телефонами.

Сразу же после объявления результатов парижского голосования многие наблюдатели поспешили объявить о победе "нордического альянса". Впрочем, сами представители заинтересованных сторон такую трактовку отвергают. В опубликованном 29 января совместном пресс-релизе девяти компаний (Alcatel, Bosch, Ericsson, Italtel, Motorola, Nokia, Nortel, Siemens и Sony) дается высокая оценка решения ETSI и говорится, что все компании примут участие в разработке единого решения для широкополосного радиоинтерфейса на базе WCDMA и TD-CDMA. Подчеркивается, что одним из приоритетов при разработке UTRA будет обеспечение легкого перехода на новую технологию для операторов и абонентов сетей GSM.

Между тем, не за горами июнь, когда станет ясно, какие технологии будут бороться за право стать стандартом IMT-2000. Помимо UTRA в МСЭ, скорее всего, будет представлена технология, разрабатываемая "бандой четырех" - компаниями Lucent, Motorola, Nortel и Qualcomm - и являющаяся развитием стандарта cdmaOne. Свое слово должны сказать и японские, и корейские компании.

Широкополосный CDMA

В предложенной ETSI технологии WCDMA ширина прямого и обратного радиоканалов составляет 5 МГц. В результате удается достичь значительного повышения пропускной способности и емкости системы по сравнению с разработанными ранее узкополосными системами CDMA. В частности, как утверждают разработчики, объем трафика в расчете на одну несущую возрастает в восемь раз по сравнению с узкополосным CDMA; при этом ширина радиоканала увеличивается только в четыре раза (с 1,25 до 5 МГц). Скорость передачи данных может меняться в соответствии с внешними условиями, что достигается за счет использования различных способов кодирования сигнала и подстройки выходной мощности абонентского терминала.

Большая ширина радиоканала обеспечивает большую устойчивость к замираниям, благодаря чему можно точнее регулировать напряжение питания и экономнее расходовать заряд аккумуляторных батарей, чем в узкополосной CDMA. Собственно, и сама CDMA устойчивее к замираниям, чем, например, AMPS, однако WCDMA делает следующий шаг в этом направлении.

WCDMA будет обеспечивать передачу данных как с коммутацией каналов, так и с коммутацией пакетов. Коммутация пакетов удобна для передачи трафика, некритичного к задержкам (например, при использовании беспроводной технологии для обмена данными между локальными сетями), а коммутация каналов - для передачи трафика в реальном времени (в частности, для организации видеоконференций). Соответственно, данная технология допускает две схемы биллинга - по объему переданных данных и по времени соединения.

Терминалы WCDMA позволяют в одно и тоже время использовать несколько сервисов. Например, мобильный абонент может одновременно осуществлять передачу данных (скажем, работать в Internet) и отвечать на голосовой вызов.

Существует и ряд других полезных функций. Например, в системах WCDMA допускается построение так называемых иерархических сотовых структур. Это означает, что в местах повышенной плотности абонентов можно устанавливать дополнительные микросоты (без перепланировки сети в целом), которые возьмут на себя разгрузку установленных ранее больших ячеек.

Компания Ericsson построила первую экспериментальную систему на базе CDMA. Предполагается, что в 1998 г. на базе этой системы будут опробованы некоторые абонентские сервисы, в частности доступ к мультимедийным приложениям и одновременная передача данных и голосового трафика с одного абонентского терминала. Скорость передачи данных с коммутацией каналов составит 64-384 кбит/с, а с коммутацией пакетов - до 384 кбит/с. Каждая базовая станция будет способна обслуживать до 300 голосовых вызовов. Коммутатор экспериментальной станции поддерживает следующие соединения с "внешним миром": до 24 голосовых вызовов, до 23 соединений с коммутацией каналов по 64 кбит/с каждый и до 36 IP-соединений с коммутацией пакетов на скорости до 384 кбит/с.

Более подробную информацию о WCDMA можно найти в Internet по адресу www.imt-2000.com/wcdma/wcdma/text/.

Радиоинтерфейс TD-CDMA

При голосовании в ETSI технология WCDMA набрала большее число голосов и для нее были отведены большие ресурсы радиоспектра (1920-1980 МГц против 1900-1920 МГц для TD-CDMA), что позволяет многим считать ее победителем в этом соревновании. Однако надо понимать, что в странах с напряженным частотным планом выделение парных диапазонов такой ширины проблематично, поэтому "узкополосные" (минимум 1,2 МГц) системы TD-CDMA "могут сделать более быстрые деньги".

Разработка системы сотовой телефонии предполагает решение нескольких задач, среди которых - организация обмена информацией между сотами, определение местоположения подвижного объекта и выбор технологии радиодоступа. Последняя задача является самой сложной; ее решение определяет эффективность использования выделенного частотного ресурса и массогабаритные характеристики абонентского терминала. Современное состояние электроники позволяет при решении задачи радиодоступа использовать мощные аналитико-математические приемы. К ним, в частности, относятся доступ по случайному коду (CDMA), а также комбинации временного и частотного мультиплексирования (TDMA/FDMA).

Предложенная альянсом фирм Motorola, Alcatel, Bosch, Italtel, Siemens, Sony схема радиоинтерфейса TD-CDMA объединяет компоненты множественного доступа с кодовым и временным разделением. В этой схеме принято деление на восемь временных слотов (временной фрейм длиной 4,615 мс) на один частотный канал (1,2 МГц) с восемью энергетическими кодовыми уровнями. Временная нарезка соответствует используемой в стандарте GSM. Таким образом, один частотный канал обеспечивает доступ 64 абонентов, т. е. в нем реализуются 64 полноскоростных цифровых канала на несущую. Для передачи сигнала используется кодем передачи (объединенный модулятор и помехоустойчивый кодер) с 16-позиционной квадратурной модуляцией (16QAM). При этом задержка передачи составляет 577 мкс.

Радиоинтерфейс TD-CDMA имеет еще одно важное преимущество. При перегрузке систем с кодовым разделением каналов соединение вызывающего абонента с вызываемым может привести к разъединению уже разговаривающих абонентов на краю соты. (В системах с другой технологией разделения канала абонент, создающий перегрузку, получает сигнал "занято".) Чтобы предотвратить такие "накладки" уменьшают радиус соты - тогда проще передавать кандидата на разъединение в соту со свободным ресурсом. Использование элементов временного разделения позволяет не так сильно уменьшать радиус соты, как в обычных системах CDMA.

В абонентских терминалах TD-CDMA временное переключение трактов приема и передачи проводится с помощью интегрального антенного переключателя. Меньшее количество аналоговых элементов делает персональные устройства проще в изготовлении и облегчает реализацию комбинированных абонентских терминалов (общий приемный тракт для GSM/TD-CDMA).

Более подробные сведения о технологии TD-CDMA можно найти по адресу www.umts-alliance.com.