Развитие сотовых сетей радиосвязи с подвижными объектами

Развитие  сотовых сетей  радиосвязи с подвижными объектами

     Последнее десятилетие отмечено широким распространением цифровых стандартов в области сотовых  сетей подвижной радиосвязи (ССПР). Вместе с тем этот период развития ССПР отличается большим разнообразием стандартов и технологий. Согласно установившейся традиции всю историю развития мобильных систем связи принято разделять на три этапа или поколения. К 1-му поколению относятся аналоговые стандарты с частотной модуляцией в тракте передачи разговорного сигнала (NMT-450, NMT-900, AMPS и др.). В этих стандартах использовался многостанционный доступ с частотным разделением каналов (FDMA).

     В стандартах 2-го поколения используются цифровые методы формирования, передачи и обработки сигналов (GSM, ADC (D-AMPS), JDC, CDMA-IS-95 и др.). Для многостанционного доступа здесь используется временное и кодовое разделение каналов (TDMA и CDMA).

     Наконец, на смену 2-му приходит единый универсальный  стандарт 3-го поколения, разработка которого будет завершена в первом десятилетии XXI века.

     В настоящее время в сфере радиосвязи с подвижными объектами широко используются технологии, которые, согласно приведенной  классификации, можно отнести к 1-му и 2-му поколениям. Наиболее успешно развиваются мобильные технологии, связанные со стандартом GSM.

     Первую  коммерческую сеть стандарта GSM развернули в Германии в 1992 г. Первоначально стандарт GSM был ориентирован на использование полосы частот 2х25 МГц в диапазонах 890 - 915 МГц и 935 - 960 МГц. Однако в 1990 г. в спецификации GSM введен пакет рекомендаций, определяющий принципы использования стандарта GSM в диапазоне частот 1800 МГц. В результате этого был создан стандарт DCS-1800.

     Стандарт GSM был назван глобальным после того, как его версия для диапазона частот 1900 МГц была принята в США в качестве одного из стандартов персональной связи, получившего название PCS-1900.

     По  своим характеристикам стандарт PCS-1900 аналогичен стандарту DCS-1800.

     Важнейшей характеристикой системы подвижной  радиосвязи является ее емкость, т.е. максимальное число обслуживаемых абонентов. Способ организации системы связи и требуемые характеристики в значительной степени определяют емкость сети. В основном же емкость зависит от числа радиоканалов.

     По  принципам использования выделенного  частотного ресурса системы подвижной  связи могут быть отнесены к одному из следующих видов:

     с закрепленными за абонентами каналами связи;

     со  свободным доступом абонентов к  общему частотному ресурсу;

     с пространственно-разнесенным повторным  использованием частот (сотовые системы связи).

     В профессиональных (частных) системах - PMR (Professional Mobile Radio или Private Mobile Radio) - часто применяется принцип фиксированного закрепления каналов связи за определенными абонентами. Достоинство такого закрепления - высокая оперативность установления связи.

     Принцип свободного доступа абонентов к  любому радиоканалу в выделенной полосе частот получил название "транкинг". Существует несколько способов реализации принципов транкинговой связи. В одном случае функция поиска свободного канала возлагается на абонентскую станцию (АС), которая осуществляет последовательный поиск незанятого канала во всем выделенном диапазоне частот. В другом случае анализ занятости каналов возлагается на подсистему управления PMR. При этом передача команд для закрепления свободного радиоканала за АС осуществляется по отдельному каналу управления.

     С технической точки зрения современные  транкинговые системы имеют много  общего с сотовыми системами. Основная разница заключается скорее в их функциональном назначении. Транкинговые системы, как правило, предназначены для организации замкнутых производственных сетей, где основная доля графика (до 90%) приходится на внутренние связи. Площадь обслуживаемой территории может быть весьма велика. Сеть имеет радиально-зоновую конфигурацию. Ядром системы является базовая станция (БС), представляющая собой многоканальный интеллектуальный ретранслятор. Известны и разветвленные многозоновые системы, где одновременно функционирует несколько БС, связанных между собой цифровыми РРЛ.

     В зависимости от типа городской застройки, класса оборудования АС, высоты установки  антенны и рельефа местности  одна БС может покрывать зоны от 10 до 80 км. В большинстве случаев связь аналоговая (стандарт SmarTrunk и др.), но в последнее время достаточно выражен переход к цифровой связи (стандарт TETRA и др.).

     Достоинствами транкинговых сетей является быстрое  установление соединений (около 0,3 с) и простота организации групповой связи, что особенно ценится в сетях спецсвязи.

     Сотовая технология позволяет многократно  использовать одни и те же частоты  в пределах выделенного диапазона  благодаря пространственному разнесению сот с совпадающими частотами. Она широко используется при проектировании ССПР всех стандартов.

     Вместе  с тем сотовые сети первых двух поколений уже не справляются  с ростом числа абонентов.

     Практика  развития сетей GSM в тех странах, где этот стандарт был принят, показала, что лицензией на предоставление услуг подвижной связи обладают два-три оператора, между которыми распределена полоса частот 2х25 МГц. В большинстве случаев полосы частот 2х (7 - 8) МГц оказалось недостаточно для обслуживания реального количества абонентов.

     Для увеличения емкости сетей используют различные способы.

     Первый  и самый простой - уменьшение размеров сот. Использование микросот или пикосот с радиусом 0,1 - 0,3 км не требует внедрения новых технологий, но это приводит к значительному увеличению числа базовых станций, усложняет управление сетью, требует строительства соединительных линий и т.д.

     Второй  способ связан с переходом к полускоростным речевым каналам, что ведет к  некоторому снижению качества передачи разговорных сигналов.

     Для повышения емкости ССПР можно  использовать также более эффективные  схемы повторного использования  радиочастот, динамическое распределение  радиоканалов и т.п. Однако перечисленные мероприятия не позволяют существенно изменить ситуацию.

     Наблюдения  показывают, что происходит не только количественный рост числа пользователей, но и значительное изменение потребностей пользователей в услугах связи. В настоящее время из-за длительного времени установления соединения и низкой скорости передачи (9,6 кбит/с) в сети GSM только 5% общего объема услуг приходится на передачу данных. Однако ситуация будет коренным образом меняться благодаря применению новых терминальных устройств и новых технологий. По расчетам специалистов, к 2005 г. более 2/3 всего мобильного графика составит передача данных.

     Отмеченные  трудности усугубляются большим  количеством стандартов и их несовместимостью. Все это явилось предпосылкой для создания единого всемирного стандарта, т.е. для перехода к 3-му поколению мобильных систем.

     Еще в конце 80-х годов Международный  Союз Электросвязи (ITU-R) выступил с инициативой создания глобальной международной системы подвижной радиосвязи будущего FPLMTS. Для решения технических проблем была создана целевая группа, которая выработала требования к технологии радиосвязи для систем глобальной подвижной связи 3-го поколения под условным шифром IMT-2000.

     В 1992 году на Всемирной административной радиоконференции (ВАКР-92) было принято решение о том, что радиотехнические системы проекта IMT-2000 должны работать в диапазонах частот 1885 - 2025 МГц и 2110 - 2200 МГц.

     При разработке требований основное внимание было уделено не столько технологическим  аспектам, сколько потребительским  качествам предлагаемых технологий.

     Решающим  шагом на пути увеличения пропускной способности и расширения предлагаемых услуг должна стать технология GPRS с коммутацией пакетов и пропускной способностью 115 кбит/с и более. Это означает, что абоненты смогут "постоянно" находиться в сети, т.е. у них больше не будет тех проблем, с которыми зачастую приходится сталкиваться пользователям модемов. После введения GPRS оплата за услуги абонентам будет взиматься на совершенно новых принципах, когда будет учитываться объем передаваемой информации, а не время соединения.

     В качестве альтернативы концепции FPLMTS/IMT-2000 в начале 90-х годов была разработана европейская программа создания универсальной системы подвижной связи UMTS, которая стала возможной благодаря впечатляющему успеху такого масштабного международного проекта как GSM.

     В настоящее время Европейский  институт стандартизации связи (ETSI) (проект UMTS) и Международный Союз Электросвязи (ITU-R) (FPLMTS/IMT-2000) ведут свою работу параллельно и в определенной степени скоординировано.

     Концепции UMTS и IMT-2000 во многих чертах взаимосвязаны, однако с точки зрения реализации UMTS имеет ряд существенных преимуществ: более детальные и продвинутые НИР/ОКР, четко организованные работы по стандартизации, активное участие в исследовательских и демонстрационных проектах крупных фирм-производителей (Nokia, Ericsson, Alcatel, Siemens, Italtel и др.).

     Обобщенная  сеть UMTS строится на основе действующих сетей 2-го поколения (GSM, DECT, Internet и т.п.), которые через сетевые адаптеры могут взаимодействовать с другими компонентами UMTS. Каждый сетевой адаптер должен выполнять транспортные функции и операции по управлению (сигнализация, управление мобильностью и т.д.).

     Богатый опыт развития проводных сетей предоставляет  разработчикам мобильных систем широкий выбор технических вариантов. В частности, для обработки мультимедийной информации в мобильных системах будут использоваться беспроводные АТМ-сети, стандарты кодирования аудио - и видеоинформации (MPEG-1, - 2 и - 4), методы интеграции мобильных терминалов с широкополосными сетями В-ISDN.

     Организационно-финансовые успехи внедрения сотовых сетей  связи 2-го поколения оказывают существенное влияние на быстроту смены поколений. Десятки миллионов новых пользователей радиосетей 2-го поколения в различных регионах мира обострили необходимость решения таких задач как международный роуминг, унификация радиотелефонов, интеграция с другими службами связи, доступ к мультимедийной информации. Благодаря тому, что доходы от мобильной связи стали составлять сотни миллиардов долларов в год, появились экономические предпосылки крупномасштабных инвестиций в новые проекты мобильных систем.

     Прогнозируется, что к планируемому вводу в  действие UMTS (2005 г) ожидается расширение абонентской базы GSM до 300 млн. человек. В техническом плане усовершенствованные стандарты GSM (GSM-900, DCS-1800 и PCS-1900), соответствующие так называемой фазе 2.5, начинают удовлетворять требованиям UMTS и интенсивно развиваются рядом ведущих фирм (Nokia, Ericsson и др.).

     В ETSI работает специальная группа (SMG), отвечающая за эволюционный переход к технологиям UMTS, являющимся основами создания общемирового мультимедийного коммутационного стандарта. В рамках SMG над усовершенствованием технологий GSM работают подгруппы: SMG1 - услуги и технологии UMTS; SMG2 - аспекты радиоинтерфейсов и радиооборудования; SMG3 - сетевые аспекты; SMG4 - услуги передачи данных; SMG5 - концепция и координация UMTS; SMG6 - операционные и эксплуатационные процедуры.

     Новые высокотехнологические решения, предусмотренные  фазой 2.5 стандарта GSM (2.5 G), позволяют существенно расширить возможности сети. Это даст возможность предложить абонентам услуги связи на уровне, очень близком к только еще разрабатываемым сетям связи 3-го поколения (3 G).

     Примером  такой технической эволюции является технология PacketGSM, которая позволяет интегрировать передачу речи и данных через пакетную подсистему инфраструктуры сетей GSM. Эта технология дает возможность операторам плавно перейти от преобладающих в настоящее время мобильных сетей с коммутацией каналов к сетям с коммутацией пакетов, которые могут работать в режиме реального времени как для речевого графика, так и для графика передачи данных.

     Привлекательность концепции передачи речи через GPRS (VoGPRS) объясняется тем, что использование принципов пакетной передачи существенно увеличивает статистическую пропускную способность радиоинтерфейса.

     Еще одним примером расширения набора услуг  для абонентов мобильных сетей  является разработанный протокол WAP для доступа в Internet через мобильные телефоны и другие беспроводные устройства. WAP будет скрывать сложность прикладного уровня GSM, точно так же, как Web это сделал для сети Internet. Разработанный для независимой доставки информации протокол WAP позволит максимально использовать транспортные возможности каждого устройства. Таким образом, WAP объединит в себе массу транспортных функций, включая службу коротких сообщений (SMS), передачу данных со скоростью 9,6 кбит/с в GSM, высокоскоростную передачу данных с канальной коммутацией (HSCSD), множественный доступ с временным разделением каналов (TDMA), множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA), широкополосный CDMA (W-CDMA) и общие службы с пакетной коммутацией (GPRS).