GSM: приоритеты определены

Однако сегодня все базовые возможности стандарта уже реализованы и его дальнейшая модернизация продолжается.

Втехнологию GSM вложены немалые инвестиции, и это предопределило путь ее развития. Постепенно наращиваются сетевые элементы, совершенствуются контроллеры и базовые станции, разрабатываются и создаются двухрежимные абонентские терминалы. В качестве базовой технологии для предоставления услуг радиосистем 3-го поколения GSM имеет и другое важное преимущество — практически с первых дней работы модернизированной сети она будет обладать потенциально большой абонентской базой.

Хотя современные сети GSM имеют низкую скорость передачи (до 9,6 кбит/с), фактически ее вполне достаточно для организации работы электронной почты и транспортировки коротких сообщений длиной не более 160 символов (служба SMS). В сетях GSM маршрутизация в режиме передачи данных осуществляется с использованием сетей c коммутацией каналов ТфОП/ISDN, что несет определенные неудобства пользователям. Так, время установления соединения с помощью модема достаточно велико и может составлять около 20 с. Из-за ограничений технологии обеспечить выполнение требований IMT-2000 в рамках существующего стандарта GSM невозможно.

Пропускная способность на один канальный интервал

В настоящее время уже очевидно, что модернизация GSM и развитие UMTS будут происходить в течение длительного времени, причем обе технологии станут развиваться параллельно. Одно из основных направлений совершенствования сетей GSM — постепенное увеличение скорости передачи информации на один канальный (временной) интервал от 9,6 до 69,2 кбит/с (рис. 1), а более высокие скорости достигаются за счет выделения одному пользователю нескольких или всех канальных интервалов в кадре TDMA.

Технология HSCSD

Первый шаг в этом направлении — реализация передачи данных со скоростью 19,2 кбит/с (два канальных интервала по 9,6 кбит/с) или 28,8 (2х14,4) кбит/с на базе технологии HSCSD (High Speed Circuit Switched Data). Следует заметить, что именно такие скорости сейчас характерны для работы большинства пользователей Internet в европейских странах.

Внедрение HSCSD, обеспечивающей скорость до 28,8 кбит/с, требует модификации в основном программных средств и протоколов обмена, не затрагивая инфраструктуры действующей сети GSM. Дело в том, что при использовании двух канальных интервалов в одном кадре временной сдвиг между приемом сигналов базовой станции (БС) и последующей их передачей мобильной не превышает четырех интервалов; это, в принципе, вполне согласуется со спецификациями протоколов GSM.

По мере развития технологии HSCSD станет возможным и дальнейшее увеличение скорости передачи. Например, за счет объединения четырех временных интервалов можно достичь скорости 36,8 (4х9,6) кбит/с (вариант с кодированием) или до 57,6 (4х14,4) кбит/с (без кодирования). В таком режиме существующие сотовые телефоны уже не способны «воспринимать» без соответствующей доработки GSM-сети. Что же касается еще большого увеличения скорости (до 76,8 кбит/с), которая достигается путем агрегирования восьми каналов по 9,6 кбит/с, то для этого потребуется модификация магистральной базовой сети, где скорость обмена информацией между БС и центральным коммутатором (MSC) ограничена величиной 64 кбит/с (A-интерфейс).

Служба пакетной передачи

Существующие сети GSM, в том числе те, в которых применяется новая технология HSCSD, могут поддерживать только трафик сетей с коммутацией каналов. Поэтому одним из важных шагов на пути эволюции сетей GSM к UMTS стало внедрение технологии пакетной передачи (GPRS, General Packet Radio Service). Такая система обеспечивает сквозную передачу данных (от одного абонента к другому) в пакетном режиме по IP-протоколу со скоростью до 115,2 кбит/c. Здесь важно отметить, что именно GPRS-системы способны предоставить новые услуги, называемые услугами 3-го поколения, уже сейчас, т.е. еще до начала развертывания сетей стандарта IMT-2000.

Поскольку служба передачи данных GPRS надстраивается над существующей сетью GSM, не нужна кардинальная модернизация имеющейся сетевой инфраструктуры. Новые же функциональные возможности и изменение принципа сопряжения с внешними сетями, по сути, обеспечиваются всего лишь введением дополнительных модулей в существующую сеть GSM (рис. 2).

Со стороны архитектуры системы внедрение GPRS связано с добавлением в развернутую сеть GSM двух технологических узлов для поддержки службы пакетной передачи данных — поддержки услуг (SGSN, Serving GPRS Support Node) и поддержки шлюзовых функций (GGSN, Gateway GPRS Support Node).

Узел SGSN обеспечивает маршрутизацию пакетов, управление мобильностью, аутентификацию и шифрование для всех абонентов, находящихся в его зоне обслуживания. На более высоком сетевом уровне он поддерживает функции, аналогичные тем, которые осуществляет центральный коммутатор с визитным регистром MSC/VLR в сетях с коммутацией каналов. Исходящий трафик из узла SGSN перенаправляется на контроллер базовой станции, а от него — на мобильные терминалы абонентов.

Узел GGSN выполняет роль шлюза между SGSN и внешними сетями (X.25, IP). В оборудовании узла GGSN реализованы функции обеспечения безопасности, обработки счетов абонентов и динамического выделения IP-адресов. С точки зрения внешней сети GGSN выглядит как некая «диспетчерская» станция, владеющая адресами всех IP-абонентов, обслуживаемых системой GPRS.

Кроме этих двух основных типов узлов в состав сети GPRS входит еще один новый для GSM-сетей элемент — центр услуг широковещательной передачи (PTM-SC, Point-to-Multipoint Service Center). Он предназначен для обработки широковещательного трафика между магистральным каналом сети и основным регистром местоположения — HLR.

Вновь введенные узлы GPRS предназначены для наращивания сетевой инфраструктуры на базе IP-протокола. Что же касается их конкретного расположения в сети, оно может быть различным: допускается их физическое объединение в одном узле сетевой структуры или распределение по сети. Такой подход к построению совмещенной сети GSM/GPRS позволяет оператору начать предоставление услуг на небольших сегментах сети с малым числом узлов SGSN и GGSN при минимальных первоначальных затратах.

Каждый абонент «закрепляется» за одним или несколькими обслуживающими узлами SGSN с помощью основного регистра местоположения HLR. Для управления сигнализацией тех абонентов, которым предоставлена возможность работать одновременно в двух режимах передачи (с коммутацией пакетов и каналов), в совмещенной сети GSM/GPRS используется специальный интерфейс между визитным регистром местоположения VLR и обслуживающим узлом SGSN.

В стандарте GPRS определены три класса мобильных терминалов, которые предназначены для работы мобильных станций в разных режимах. Терминалы класса А предоставляют самый полный спектр услуг. Они поддерживают одновременно два режима работы — в сети GSM (коммутация каналов) и в сети GPRS (коммутация пакетов). Обладатели терминалов класса B также смогут работать в режимах GSM/GPRS, но поочередно, т.е. в каждый момент будет осуществляться передача лишь одного вида трафика — с коммутацией каналов или пакетов. И наконец, терминалы класса С способны функционировать только в режиме пакетной передачи.

Такая классификация позволяет новым абонентам с самого начала работать в широких зонах покрытия GSM-сетей. Терминалы каждого из трех классов могут поддерживать режим многоканальной (многослотовой) работы, обеспечивая при этом максимальную скорость на канальный интервал 21,4 кбит/с.

Для передачи IP-трафика в GPRS-сети используется один или несколько выделенных логических каналов, называемых PDCH (Packet Data Channel) и оптимизированных для пакетной передачи данных.

Канальная структура GPRS включает в себя три типа логических каналов. Информационные пакеты транспортируются по каналу PDTCH (Packet Data Traffic Channel). Широковещательная и общесистемная информация передается с базовой станции на мобильные по каналу PBCCH (Packet Broadcast Control Channel). Для передачи управляющей информации предназначен третий тип логического канала, PCCCH (Packet Common Control Channel). В системе GPRS он выполняет несколько функций: по нему передаются служебные сообщения о вызове, указывающие на начало пакетной передачи, кроме того, его может использовать БС для транспортировки данных о распределении сетевых ресурсов между мобильными станциями. Однако PCCCH не является обязательным во всех ячейках сети GSM/GPRS. Вместо него для получения служебной информации мобильная радиостанция может прослушивать стандартный канал управления CCCH, применяемый в GSM.

Один канал PDCH (любого из трех типов) отображается в один временной интервал длиной 576,92 мкс, что позволяет задействовать такую же канальную структуру, как в обычных сетях GSM. Передача информации в GPRS осуществляется со скоростью 270,833 кбит/с, при этом используется гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом — GMSK. Как и в GSM, один символ кодированной последовательности GPRS соответствует одному модулированному символу. Форматы канального интервала в GPRS и GSM также идентичны: они включают 2х58 информационных бит (в том числе два служебных), 26 бит обучающей последовательности, 2х3 конечных (tail) символа. Соседние интервалы разделены защитным промежутком длительностью 8,25 бит.

В технологии GPRS была предложена новая структура пакета размером 456 бит (четыре информационных блока по 114 бит), которая обеспечивает общую скорость передачи по каналу 22,8 кбит/с (табл. 1). В структуру сообщений GPRS добавлен также статусный флаг в линии «вверх» (USF, Uplink Status Flag).

В целях повышения гибкости передачи и пропускной способности в системе GPRS могут использоваться четыре схемы кодирования данных: от CS1 до CS4. Для управления работой радиолинии в режиме пакетной передачи разработан специальный протокол RLC (Radio Link Control), который обеспечивает ее адаптивную настройку, программную перестройку частоты и управление мощностью. Адаптация радиолинии включает выбор той или иной схемы кодирования (CS1 — CS4) в зависимости от вида передаваемой информации, характеристик радиоканала и уровня помех.

Таким образом, в режиме GPRS каждому абоненту предоставляется от 1 до 8 канальных интервалов. Во время пакетной передачи ресурсы линий связи «вверх» и «вниз» могут выделяться независимо друг от друга, т.е. в системе допускается реализация асимметричного режима передачи. Сегодня при использовании схемы кодирования CS2 скорость передачи данных в GPRS-системе составляет 115,2 (8х14,4) кбит/с, однако теоретически она может быть увеличена до 171,2 (8х21,4) кбит/с — если применить схему кодирования CS4.

Максимальная пропускная способность одного канала радиоинтерфейса GPRS

Принципы оптимизации качества связи при использовании четырех схем кодирования данных в зависимости от отношения сигнал/помеха (C/I) иллюстрирует рис. 3. Первая схема, CS1, гарантирует соединение в любых условиях и наиболее удобна для передачи сигнализации и коротких сообщений. Вторая, CS2, предназначена для передачи информационного трафика и позволяет существенно увеличить пропускную способность сети. Два других варианта кодирования обеспечивают наивысшую скорость передачи при высоком значении отношения сигнал/помеха, однако уступают схемам CS1 и CS2 при C/I, меньшем 9 дБ. Кроме того, их реализация потребует модернизации Abis-интерфейса.

Главное отличие технологии GPRS от высокоскоростной HSCSD — новый механизм тарификации, который принципиально допускает совместное использование несколькими абонентами одного канала (канального интервала) и позволяет предоставлять одновременно несколько видов услуг. Например, один абонент может принимать сообщения от другого во время сеанса связи с третьим. Оплата за услуги при этом перераспределяется между абонентами, задействующими один и тот же канал. Фактически, абонент GPRS платит не за время использования канала, а только за объем передаваемой информации.

Традиционные биллинговые системы, исчисляющие плату за услуги по времени использования канала с учетом времени суток, не могут быть применены без доработок в системах с пакетной передачей данных. Поэтому появление GPRS повлечет за собой изменения в организации работы биллинговой системы. Ее неотъемлемой частью становится биллинговый шлюз (BG, Billing Gateway), который предназначен для предварительной обработки биллинговой информации, поступающей от узлов SGSN и GPRS (см. рис. 2). IP-трафик обрабатывается программой-посредником, которая и направляет данные в биллинговый центр компании.

Такой механизм сбора тарифной информации позволит избежать необходимости создания принципиально новой биллинговой системы для GPRS (а в дальнейшем — для UMTS), ограничившись лишь модернизацией одного модуля системы. Забегая вперед, заметим, что при внедрении UMTS в него дополнительно потребуется ввести дополнительные изменения, связанные с тарификацией мультимедийных услуг.

Хотя принципы начисления оплаты в GPRS-сетях окончательно еще не определены, уже сейчас ясно, что новые тарифы будут строиться на совершенно иных принципах, с использованием более сложных показателей — объема переданной информации или числа переданных пакетов, качества обслуживания, срочности доставки пакетов и др. Тарифы в GPRS-сетях будут гибко дифференцироваться и в зависимости от объемов переданной информации, снижаясь по мере увеличения суммарного трафика.

Технология EDGE

Предложение использовать спецификации технологии высокоскоростного радиодоступа (EDGE, Enhanced Data for Global Evolution) в качестве эволюционной базы для стандарта GSM при переходе к IMT-2000 внесла группа ETSI SMG в начале 1997 г. Разработки велись параллельно в Европе (ETSI) и в США, где концептуальные положения концепции EDGE стали фундаментом проекта стандарта UWC-136.

Новый радиоинтерфейс EDGE, созданный на основе стандартов GSM (фаза 1), обеспечивает плавный переход к системам радиосвязи 3-го поколения, позволяя увеличить скорость передачи данных до 384 кбит/с на несущую. Что же касается более высоких скоростей передачи (от 2048 кбит/с), которые определены в IMT-2000 для новых поколений пико- и микросотовых сетей, то их предполагается реализовать во второй фазе спецификаций EDGE.

Радиоинтерфейс EDGE (фаза 1) надстраивается над существующей схемой радиодоступа GSM и не требует создания новых сетевых элементов. Он будет совместим с другими службами GSM, в том числе с HSCSD и GPRS. Заметим, что технология EDGE вполне согласуется с использованием в сетях GSM диапазонов частот 900 и 1800 МГц.

К основным преимуществам EDGE следует отнести применение спектрально эффективной модуляции и адаптивной настройки канала в зависимости от требований абонента и реальной помеховой обстановки. Первоначально в качестве базового метода модуляции в EDGE рассматривалась квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (OQPSK), однако затем предпочтение было отдано восьмипозиционной фазовой модуляции (8PSK). По мнению разработчиков стандарта, применение модуляции 8PSK приводит к меньшему снижению средней мощности, которая составит для 8PSK около 2 дБ.

Эффективность использования спектра согласно спецификациям EDGE — почти в три раза выше, чем в GPRS. При развертывании системы в полосе 600 кГц (модель повторного использования частот 1/3) достижима величина спектральной эффективности более 0,45 бит/Гц на соту. Сравнительные характеристики технологий EDGE и WCDMA приведены в табл.2.

В спецификациях EDGE заложены принципиально новые, по сравнению с GSM, возможности. В первую очередь, это автоматическое распознавание типа модуляции, применяемого в радиолинии, с автоматическим переходом в требуемый режим. Усовершенствованный метод модуляции позволяет абонентской радиостанции автоматически адаптироваться к качеству канала радиосвязи, причем самые высокие скорости передачи обеспечиваются, безусловно, в наиболее благоприятных условиях распространения радиоволн (например, вблизи базовых станций).

Технология EDGE предусматривает организацию двух служб: усовершенствованной службы пакетной передачи (EGPRS, Enhanced GPRS) и усовершенствованной службы коммутации каналов (ECSD, Enhanced Circuit Switched Data). Максимальная скорость передачи на один канал будет увеличена до 38,4 кбит/с для ECSD и до 69,2 кбит/с для EGPRS, а теоретическая пропускная способность на несущую оценивается в 553,5 кбит/с.

Путем объединения нескольких канальных интервалов в кадре TDMA может быть повышена и общая скорость передачи в режиме коммутации каналов. Для ECSD станут достижимыми скорости ISDN (64 кбит/с) при малых величинах вероятности ошибки (BER ниже 10-6). Заметим, что при этом будут заняты лишь два канальных интервала по 32 кбит/с.

В настоящее время в спецификациях EDGE определены два метода модуляции (GMSK и 8PSK) с одинаковой скоростью передачи символов. Поскольку каждый символ 8PSK состоит из трех бит, в одном канальном интервале может быть передано 346 информационных бит. В остальном структура мультикадра совпадает с GSM, т.е. каждый кадр состоит из восьми канальных интервалов, а каждый 13-й кадр является кадром ожидания.

В основе адаптивной модуляции EDGE при работе в режиме с коммутацией пакетов лежит использование шести уровней кодирования (от PCS-1 до PCS-6) с различными характеристиками помехоустойчивости (табл. 3). Смена режима кодирования производится каждый раз, когда декодируемый предыдущий блок принимается с низкой достоверностью. В результате следующий блок данных передается с более высокой помехозащищенностью (режим 8PSK).

Оценки вероятности ошибки на блок для различных схем кодирования в канале без разнесенного приема производились при работе абонента на частоте несущей 900 МГц и передаче сигнала с использованием скачкообразной перестройки частоты в транспортном средстве, двигающемся со скоростью 3 км/ч. Результаты тестирования показывают, что при одном и том же количестве ошибочных блоков значение C/I, при котором обеспечивается заданное качество приема, понижается с уменьшением скорости передачи информации.

Стандарт EDGE предусматривает разработку терминалов двух типов. Устройства первого типа, более простые и дешевые, будут обеспечивать модуляцию 8PSK в линии «вниз» и GMSK в линии «вверх». Высокоскоростная передача по прямому каналу хорошо согласуется со структурой трафика в пакетных сетях, который по своей природе асимметричен. Второй тип терминалов предусматривает симметричную передачу информации (модуляция 8PSK).

В спецификациях EDGE, относящихся к фазе 2, предусматривается введение нового типа многоскоростного речевого кодека — AMR (Adaptive Multirate Codec) — с широким диапазоном переключаемых скоростей (до 32 кбит/с). Такой кодек ориентирован прежде всего на микросотовые сети.

Очевидно, что стандарт EDGE прекрасно соответствует своей роли — стать платформой для создания интегрированной TDMA-технологии, обеспечивающей плавный переход от GSM к системам 3-го поколения с их новыми возможностями, в частности к UMTS.

ОБ АВТОРЕ