Долог путь к единому стандарту

Проблемы, с которыми пришлось столкнуться разработчикам глобального стандарта мобильной спутниковой связи в рамках программы IMT-2000, заставляют задуматься: а возможно ли вообще создание такого стандарта хотя бы для отдельного вида мобильной связи — спутниковой? Может быть, в системах 3-го поколения так и не получится совместить глобальность охвата с универсальностью оборудования — по крайней мере, в ближайшем десятилетии?

Двадцать лет спустя

Так уж сложилось, что первые системы сотовой и мобильной спутниковой связи появились практически одновременно — в начале 80-х гг. «Первопроходцами» стали наземная сотовая сеть на базе стандарта NMT-450 (1981 г.) и спутниковая система Inmarsat (1982 г.). Сегодня аналоговые системы, обладающие низкой пропускной способностью и применяющие при передаче сигнала частотную модуляцию, называют системами 1-го поколения.

Примерно 10 лет спустя на смену аналоговым технологиям пришли цифровые, а с ними — и новые возможности.

Первые коммерческие сети 2-го поколения (стандартов GSM и D-AMPS) были развернуты в 1992 г. Через год началась эксплуатация спутниковых систем на базе цифровых стандартов Inmarsat-B и Inmarsat-M. Цифровые средства связи имеют два принципиальных отличия от аналоговых: они эффективнее используют частотный ресурс (за счет более сложных методов модуляции) и способны передавать по одному радиоканалу речь и данные.

В середине 90-х гг. телекоммуникационный мир охватила идея создать единый стандарт мобильной связи. Начались работы над проектом сухопутной мобильной телекоммуникационной системы общего пользования FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunications System), которая должна была стать результатом интеграции систем беспроводного доступа и наземной сотовой связи. Однако вскоре стало ясно, что несмотря на широкомасштабное внедрение систем наземной связи и применение роуминга огромная часть территории земного шара, включая мировые океаны, оказывается недосягаемой для FPLMTS. Очевидно, что глобальное покрытие возможно только с помощью спутников, а следовательно, и при разработке единого стандарта, обеспечивающего глобальную связь, не обойтись без спутниковых технологий.

Требования к единой системе мобильной связи были сформулированы в рамках программы IMT-2000 (International Mobile Telecommunications). В новом названии уже отсутствует термин «Land» (сухопутные), но есть цифра 2000, которая указывает не только на предполагаемый срок принятия стандарта, но и на значение частоты (2 ГГц), в области которой намечено выделить частотные ресурсы для наземных и спутниковых систем связи (ССС).

Исходя из 10-летнего цикла смены поколений, аналитики рынка средств связи считают, что внедрение систем IMT-2000 начнется с 2002 г. И если от систем 2-го поколения потребитель ждал лишь обеспечения массового доступа к услугам речевой связи и низкоскоростной передачи данных, то требования к новейшему оборудованию совсем иные. Главными из них, считает Международный союз электросвязи (MCЭ), являются универсальность устройств, предназначенных для наземных и спутниковых систем (обеспечивается «единый» доступ к ним в пределах земного шара), возможность конвергенции сервисов разных систем и сетей, а также предоставление мультимедиа-услуг в рамках глобальной информационной инфраструктуры. Небольшие абонентские терминалы 3-го поколения должны не только поддерживать высокое качество передачи речи, но и уметь работать с асимметричными потоками данных в линиях «вверх» и «вниз».

Первоначально для успешного решения этих задач имелись все предпосылки. МСЭ создал концепцию единого стандарта, реализованную в виде серии рекомендаций, которые определяли структуру радиоинтерфейса и его основных элементов. Одновременно он обратился ко всем странам-участникам с просьбой подготовить собственные проекты систем нового поколения. Было представлено 16 проектов, но ни один из них не может претендовать на роль основы глобальной сети связи, что, скорее всего, повлияет на сроки создания единого стандарта. Работы сразу разделились на два направления — по наземной (10 проектов) и спутниковой связи (5 проектов). О последнем, шестнадцатом, проекте пока мало что известно.

Дальше — хуже. В процессе перехода от концепции к конкретным проектам стало очевидно, что невозможно объединить в рамках единого стандарта интересы различных международных и региональных организаций. Хотя окончательное решение по стандарту наземного сегмента T-IMT-2000 (Terrestrial IMT-2000) еще не принято, уже понятно, что общим документом не обойтись и придется разрабатывать семейство «гармонизированных» стандартов. Таковых будет как минимум два: один — на базе технологии TDMA, другой — CDMA. По отношению к последнему декларируется поддержка трех режимов работы:

• DS-CDMA/FDD — для спаренных диапазонов частот (объединенное предложение по системам UTRA, W-CDMA, WIMS, W-CDMA/NA, CDMA1 и CDMA2) ;
• MC-CDMA/FDD — для спаренных диапазонов частот на базе предложений по системе cdma2000;
• TDD-CDMA — для неспаренных диапазонов частот.

Поскольку автора интересует будущее ССС, то более подробно будут рассмотрены проекты создания именно таких систем.

Спутниковая связь 3-го поколения

На фоне бурных дебатов, связанных с выбором технологий для наземных систем 3-го поколения, процесс выработки глобального стандарта для ССС проходит на удивление спокойно. Никто не торопится и до сих пор не приняты даже предварительные резолюции, хотя срок официального рассмотрения проектов истек в конце 1999 г. При этом ситуация здесь складывается совсем непростая.

К двум несовместимым концепциям передачи сигнала (на базе технологий TDMA и CDMA) добавляется не менее 5—6 вариантов построения орбитальных группировок (ОГ). Использование различных орбит, а соответственно, ретрансляторов (прозрачных или с обработкой на борту), бортовых антенн с разным числом лучей и т.п. неизбежно приведет к тому, что радиоинтерфейс, разработанный для одной технологии, окажется в лучшем случае неоптимальным для другой.

Все в порядке только с услугами: уже на первой фазе развертывания ССС 3-го поколения они будут предоставлять практически тот же их набор, что и наземные системы, но уже в глобальной зоне обслуживания. И хотя скорость каналов спутниковой связи несколько ниже, чем наземных (от 2,4 до 64 либо 144 кбит/с), этого вполне достаточно, чтобы обеспечивать передачу не только речи и данных, но и мультимедиа. Важным шагом на пути создания единого стандарта стала конвергенция услуг мобильной и фиксированной спутниковой связи в едином информационном пространстве. Спутниковый канал со скоростью 64 кбит/с позволит абоненту передавать и принимать сообщения в любой точке Земли, практически без ограничений по видам обслуживания.

Общий подход к проектированию ССС в «спутниковой» части программы (S-IMT-2000, Satellite IMT-2000) несколько отличается от используемого в «наземной» части (T-IMT-2000). Прежде всего, для спутниковой связи выделен только один спаренный диапазон: 1980—2010 МГц («Земля—спутник») и 2170—2200 МГц («спутник— Земля»), т.е. работа в режиме TDD (Time Duplex Division) пока не планируется.

Размер кадра для спутниковых систем несколько больше, чем для наземных, что продиктовано необходимостью в снижении потерь пропускной способности канала при передаче сигнализации и другой управляющей информации. По этой же причине скорость передачи последовательностей управления мощностью была выбрана меньшей, чем для наземных сетей. Один из основных путей наращивания пропускной способности и обеспечения заданной энергетики спутниковых линий — применение высокоэффективных многолучевых бортовых антенных систем. Сегодня в ССС максимально возможный запас по энергетике обычно не превышает 20 дБ, причем достигнуть таких результатов удается только за счет снижения скорости передачи.

Структура орбитальных группировок

Концепция построения систем 3-го поколения может быть реализована в системах с КА на геостационарной (ГСО) и негеостационарной (НГСО) орбитах (см. рисунок).

Стратегия перехода к ССС 3-го поколения (Т — трансформация существующей системы в систему нового поколения)

Несмотря на перегруженность ГСО и значительную величину суммарной задержки в соответствующих системах (в среднем около 500 мс) эта орбита по-прежнему очень привлекательна для мобильной связи, так как «не вносит» перерывов в обслуживании. Три-четыре спутника на ГСО обеспечивают охват почти всей территории Земли. Однако новейшие ССС с геостационарными КА (прообразом которых может стать система Thuraya) окажутся эффективными лишь в том случае, если формируемые на поверхности Земли зоны обслуживания будут сравнительно невелики.

Принципы построения космического сегмента на базе НГСО практически совпадают с используемыми при создании ССС 2-го поколения. Европейское космическое агентство (ESA) предложило применять для обеспечения связи четыре типа НГСО-группировок, которые достаточно близки по конфигурации к задействуемым в системах Globalstar (LEO), Ellipso (Borealis), ICO (MEO) и Archimedes (HEO). Переход к НГСО позволяет более эффективно обслуживать пользователей за счет увеличения рабочих углов места и числа КА, одновременно находящихся в зоне радиовидимости абонентского терминала. Другая особенность НГСО-систем состоит в том, что по мере снижения высоты увеличивается энергетический запас радиолинии, но снижается суммарная длительность сеансов связи и увеличивается доплеровский сдвиг частоты. Вычисления максимального времени распространения радиоволн и доплеровского сдвига частоты для значений, приведенных в табл.1, производились для центральной точки луча на поверхности Земли. Центр самого ближнего луча находился в подспутниковой точке, а самого дальнего — на границе зоны устойчивой связи.

Первоначально в МСЭ поступили для рассмотрения пять проектов (см. рисунок), которые можно разделить на две группы. В первой используется технология TDMA; к ней относятся проекты создания систем Horizons (Inmarsat) и ICO RTT (ICO Global Communications). Вторая группа базируется на CDMA: это SAT-CDMA (Южная Корея), SW-СDМА и W-C/TDMA (ESA). Несколько позже появился проект INX (Iridium Next Generation), подготовленный компанией Motorola, однако его подробное описание пока не обнародовано. Поскольку преимущества и недостатки каждой из технологий хорошо известны (см. «Сети»,1999, № 12, с.44), остановимся на основных характеристиках самих систем.

CCC на базе CDMA

Идея проекта европейской системы SW-CDMA (ESA) заключается в модернизации технологии CDMA до широкополосной. Эта технология была разработана в рамках проекта наземной системы UTRA (ETSI), предназначенной для обеспечения спутниковой связи, поэтому структура логических каналов SW-CDMA аналогична предложенной для UTRA. В SW-CDMA (табл. 2) формируются выделенные физические каналы данных (Dedicated Physical Data Channel, DPDCH) и управления (Dedicated Physical Control Channel, DPCCH), структура кадра которых также сходна с используемой в UTRA. Длина кадра равна 20 или 10 мс и зависит от чиповой скорости: 2,048 или 4,096 Мчип/с. Кадр состоит из 16 канальных интервалов длиной 0,625 мс (4,096 Мчип/с) или 1,25 мс (2,048 Мчип/с).

Некоторые отличия от UTRA имеются в структуре сообщений системы SW-CDMA. Вместе с пилот-сигналом и командами управления излучаемой мощностью TPC (Transmit Power Control) по каналу DPCCH транспортируется заголовок управления кадром FCH (Frame Control Header), в котором указана скорость передачи текущего кадра.

Поскольку задержки в ССС больше, чем в наземных системах, для повышения быстродействия регулирования (при сохранении частоты следования команд TPC — одна команда за кадр) использован четырехуровневый сигнал (2 бита на кадр). Еще три бита зарезервированы для передачи FCH, что позволяет идентифицировать до восьми канальных форматов передачи. Биты TPC и FCH образуют единое пятибитное слово, которое кодируется с помощью одной 16-битной биортогональной последовательности Уолша. Суперкадр (мультикадр) длиной 600 мс образуется путем объединения 60 или 30 кадров.

Модуляция данных будет осуществляться по методу QPSK. Для снижения фазовых ошибок при малых скоростях передачи (менее 4,8 кбит/с) вместо QPSK послужат методы BPSK и dual BPSK (двухканальный BPSK). Один и тот же скремблирующий код может использоваться на каждом КА.

В линии «вниз» организуются два типа общих каналов управления — первичные и вторичные. Первичный канал предназначен для передачи синхрокода и широковещательной информации с фиксированной скоростью (16 или 8 кбит/c). В суперкадре структура синхрокода одинакова во всех кадрах, кроме первого: в нем дополнительно присутствует признак начала суперкадра. Каналообразующие коды для первичного канала выбраны одинаковыми для всех лучей и спутников, а структура первичных кодов заранее известна на всех мобильных земных станциях (ЗС).

Вторичный канал обеспечивает транспортировку «вызывных» и служебных сигналов, уплотняемых с помощью временного мультиплексирования по кадрам. Для тех случаев, когда передача сообщений по каналу вызова невозможна, в системе SW-CDMA предусмотрен режим с пониженной скоростью: задействуется другой логический канал (HPPCH, High Penetration Paging Channel), обеспечивающий высокую проникающую способность сигнала. При этом для получения запаса по энергетике не менее 20 дБ скорость передачи понижается до 1,2 кбит/с (информационная скорость — 100 бит и ниже).

Пакет логического канала HPPCH состоит из немодулированной преамбулы (24 символа), уникального синхрослова (12 символов) и поля данных (124 символа). Кодирование данных обеспечивается со скоростью 1/3. В каждый момент через один спутник может передаваться только один пакет HPPCH. Период повторения передачи пакета по этому каналу составляет не менее 5 с. Для обеспечения нормального функционирования системы необходимо, чтобы различные спутники не работали одновременно по каналу HPPCH в одном и том же географическом районе.

В другом проекте ESA, создания системы W-C/TDMA (табл. 3), будут реализованы два режима: традиционный двухчастотный дуплекс (FDD) и комбинированный частотно-временной дуплекс (F/TDD, Frequency-Time Division Duplex). В последнем случае каналы передачи и приема ортогональны во времени, но используют разные частоты.

В спутниковой связи F/TDD имеет ряд преимуществ перед «чистым» временным дуплексным разделением, TDD (передача на одной несущей). В отличие от сетей наземной подвижной радиосвязи, в которых отдельные участки спектра выделены для работы в неспаренных полосах частот (TDD), в ССС такого диапазона нет, а реализация в абонентской аппаратуре комбинированного режима FDD/TDD приведет к ее усложнению.

Схемы многостанционного доступа по прямому и обратному каналам системы W-C/TDMA являются различными. В первом случае используется синхронная передача с кодово-временным разделением каналов (W-O-C/TDM, Wideband Ortogonal C/TDM), а во втором — квазисинхронная передача (W-QS-C/TDMA, Wideband Quasi-Synchronous C/TDMA).

Проект спутниковой системы SAT-CDMA (Южная Корея) подготовлен Ассоциацией связных технологий (Telecommunication Technology Association, TTA). Орбитальная группировка будет состоять из 49 КА (по семь спутников в каждой из семи орбитальных плоскостей), размещенных на орбите высотой 2000 км с наклонением 510. Период обращения КА вокруг Земли — 2 ч 7 мин.

Для абонентских линий предполагается использовать диапазоны частот 1980—2100 и 2170—2200 МГц, а для фидерных и межспутниковых каналов — соответственно диапазоны C (4—8 ГГц) и Ka (18—26,6 ГГц). Абонентские терминалы обеспечивают связь при углах места 17,50, станции сопряжения — при 100.

Основу технологии SAT-CDMA составляют широкополосные CDMA-каналы (ширина полосы — 10 МГц на несущую). На борту спутника будет установлена антенная система, формирующая 37 узких лучей, в каждом из которых передача осуществляется на трех несущих частотах. Планируемая скорость передачи — от 9,6 до 144 кбит/с. Результаты расчетов пропускной способности каналов приведены в табл.4.

При высоте орбиты 2000 км (тангенциальная скорость — 6,9 км/c) максимальный доплеровский сдвиг на частоте 2 ГГц составляет 34,61 кГц (угол места — 100), поэтому в системе SAT-CDMA намечено задействовать эффективные способы борьбы с замираниями и методы компенсации потерь, обусловленных эффектом Доплера. Один из них основан на вычислении отношения максимального правдоподобия с применением 1024-точечного БПФ-преобразования. Кроме того, предполагается использовать разнесение сигналов через два КА с помощью методов MRC (Maximum Ratio Combining).

CCC на базе TDMA

Таких проектов оказалось два: ICO RTT (ICO Global Communications) и Horizons (Inmarsat).

ICO является одной из первых систем персональной спутниковой связи, которые будут предоставлять услуги в диапазонах частот 1980—2100 и 2170—2200 МГц уже с 2001 г. ICO RTT в целом повторяет конфигурацию системы ICO, использующей узкополосный вариант технологии TDMA. В них применяется общий метод многостанционного доступа (FDMA/TDMA), работа ведется в тех же полосах частот, используется та же ОГ (по пять КА в каждой из двух плоскостей, высота орбиты 10 390 км).

Ретрансляционный комплекс создается на базе прозрачного ретранслятора с антенной системой, формирующей 163 раздельных луча (на прием и передачу). Кадр длиной 40 мс разделен на шесть канальных интервалов. Исходная канальная скорость для каждого интервала составляет 2,4 кбит/с (без кодирования) и 4,8 кбит/с (с кодированием). В наземной инфраструктуре будет использоваться сеть ICONET системы ICO. Таким образом, можно говорить о полной преемственности указанных проектов: фактически, ICO RTT является развитием узкополосной системы ICO.

Основные изменения связаны с повышением пропускной способности и спектральной эффективности системы за счет увеличения скорости передачи информации до 38,4 кбит/с. Правда, увеличение скорости планируется реализовать лишь в терминалах профессиональных пользователей, используя в них объединенные канальные интервалы. При передаче речи и данных в прямом канале задействуется модуляция QPSK/BPSK, в обратном — GMSK. Для речевой информации применятся сверточное кодирование (R=1/3), а для данных — код Рида-Соломона в сочетании со сверточным кодированием (табл.5).

В проекте ICO RTT предложено использовать гибкую канальную структуру, позволяющую передавать информацию со скоростями 1,2; 2, 4; 4,8; 9,6; 14,4; 19,2; 28,8 и 38,4 кбит/с в прозрачном и непрозрачном режимах. Совмещенный канал управления ACCH (Associated Control Channel) состоит из двух каналов — SACCH (Slow ACCH) со скоростью передачи управляющей информации 160 бит/c и FACCH (Fast ACCH) со скоростью 2 кбит/с (80 бит за кадр длительностью 40 мс). В вокодере, который оптимизирован под кадровую структуру с длительностью кадра 40 мс, применяется алгоритм AMBE.

Разработчики ICO RTT намерены обеспечить управление мощностью, увеличить пропускную способность и срок жизни батареи терминала, а также снизить уровень помех. Сообщения об изменениях мощности будут передаваться два раза в секунду, их объем составит от 2 до 10 бит. При замкнутом контуре управления мощностью будет обеспечена точность ее поддержания + 0,5 дБ в динамическом диапазоне 16 дБ.

Предусмотрено автоматическое переключение (хэндовер) абонентской станции между разными лучами одного КА и соседних спутников. Перерыв связи при «жестком» хэндовере не превысит 80 мс. В качестве базовых предполагается использовать портативные двухрежимные терминалы разных типов (табл. 6), совмещенные с сотовым телефоном, который будет иметь встроенное ЗУ для хранения данных и внешний порт.

Проект создания системы спутниковой связи Horizons предложен международной организацией Inmarsat. ССС строится на базе нескольких геостационарных КА с большим числом узких лучей. Для связи предполагается задействовать диапазоны частот 1980—2100 и 2170—2200 МГц (минимальная затребованная полоса частот 1995—2000 и 2185—2190 МГц). В Horizons планируется реализовать спектрально-эффективные методы модуляции (1,4 бит/с/Гц), n-кратное повторное использование частот (n=5), турбо-кодирование на базе DSP-процессора с производительностью 800 MPIS и др.

Речь может передаваться с изменяемым качеством, т.е. с вероятностью ошибки от 10-3 до 10-6. Достоверность в канале передачи данных составит от 10-7 до 10-13, а максимальная скорость транспортировки — 144 кбит/c.

Как и другие системы 3-го поколения, Horizons станет предоставлять широкий спектр услуг, в первую очередь мультимедийных. Будет обеспечиваться связь в режиме реального времени не только с сетями Internet, но и с интрасетями предприятий. Замкнутые группы абонентов системы могут быть объединены собственной экстрасетью.

В качестве абонентского устройства предлагается малогабаритный мультимедийный терминал (масса не более 750 г) с незначительным энергопотреблением. В активном режиме приемник будет находиться лишь около 0,5% всего периода работы; в остальное время основные энергопотребляющие цепи обесточиваются.

Процедура хэндовера, тоже оговоренная в проекте Horizons, имеет ряд отличительных особенностей. Она не только обеспечивает автоматическое переключение каналов в момент перехода мобильной станции с одного луча геостационарного КА на другой, но и «перебрасывает» радиостанции с узкополосного на широкополосный канал.

*    *    *

Итак, понятно, что технологии, используемые в системах 3-го поколения принципиально отличаются друг от друга. И пока простых путей их гармонизации или конвергенции не видно. К решению этой проблемы возможны два подхода: лояльный и дискриминационный. По первому сценарию можно предоставить существующим проектам «свободно» развиваться, но тогда придется распределить на равноправной основе между всеми участниками работ выделенный для ССС частотный ресурс. Речь идет о двух полосах частот по 30 МГц с дуплексным разносом 190 МГц (диапазоны 1980—2100 и 2170—2200 МГц). Второй вариант предусматривает выбор двух-трех проектов, обеспечивающих наилучшие характеристики связи и наиболее близких по технологическим решениям (чтобы можно было их гармонизировать), которым и достанется частотный ресурс. Остальные следует отбросить.

Двухтысячный год уже наступил, но, судя по положению дел, единый стандарт мобильных систем 3-го поколения в рамках программы IMT-2000 скорее всего не будет создан к сроку. Надежды на то, что мобильный телефон станет универсальным, все-таки сохраняются.

Исходя из 10-летнего цикла смены поколений, можно предположить, что к проблеме создания глобального стандарта вернутся в 2010—2012 г., когда начнется разработка систем 4-го поколения. А до этого времени абонентам придется пользоваться услугами двух- или трехрежимных терминалов, аналогичных тем, которые применяются в системах 2-го поколения Iridium и Globalstar.

ОБ АВТОРЕ

Кодирование и мультиплексирование данных

Обобщенная схема канального кодирования и мультиплексирования данных для системы W-C/TDMA (см. рисунок) помогает понять, как происходит трехэтапная процедура мультиплексирования данных.

Обобщенная схема кодирования и мультиплексирования (проект SW-C/TDMA)

Сначала в мультиплексоре MUX 1 входные потоки информации со стандартным качеством (например, речевые пакеты) объединяются с данными, передаваемыми с достоверностью 10^-6 и лучше. В каналах с повышенным качеством используются код Рида-Соломона (RS) и перемежитель кодированных блоков на длину NRS. Такое решение обеспечивает приемлемую сложность декодирования при малом значении отношения сигнал/шум. Альтернативное решение заключается в применении турбо-кодов.

Выходной поток мультиплексора MUX 1 кодируется с помощью цепи, включающей в себя сверточный кодер (R=1/3, K=9), блок повторения/исключения бит и перемежитель. Согласование скорости на выходе сверточного кодера с выходной скоростью мультиплексора MUX 2 осуществляется за счет повторения передачи блоков данных или периодического исключения («вырезания») отдельных символов. Перемежитель выполняет временное разнесение сигнала, что необходимо для борьбы с замираниями.

В мультиплексоре MUX 2 полезная информация объединяется с управляющей (некодированными служебными битами, битами управления мощностью и т.д.) и заголовком управления кадром FCH, который кодируется избыточным биортогональным кодом (32,6), причем блок из 32 символов повторяется несколько раз. На выходе этого мультиплексора осуществляется спаривание бит (т.е. преобразование типа «бит—дибит»), что необходимо при использовании QPSK-модуляции. В MUX 3 к кодированному потоку данных (288 дибит) добавляется пилот-сигнал (32 дибита).

В схеме также предусмотрен режим передачи сообщений с высокой проникающей способностью радиосигнала. Он реализуется за счет уменьшения скорости передачи и оптимального использования мгновенно излучаемой мощности.