Развитие сотовых сетей радиосвязи с подвижными объектами

     Проблема  выбора наилучшего метода многостанционного  доступа к радиоканалу для  систем 3-го поколения оказалась  наиболее сложной. Мнения специалистов и экспертов разделились между двумя стандартами - TDMA и CDMA. В последнее время для мультимедийной связи ведущие фирмы-производители отдают предпочтение широкополосному варианту CDMA, получившему название W-CDMA.

     Для традиционных применений (голосовая телефония, низкоскоростная передача данных) с учетом совместимости с действующими GSM сетями предпочтение отдается адаптивной версии TDMA.

     К настоящему времени разработано  два варианта многостанционного  доступа с кодовым разделением  каналов, претендующих на роль международного стандарта 3-го поколения мобильных  систем.

     Североамериканский  проект стандарта cdma 2000 прямо происходит от стандарта IS-95. В стандарте cdma 2000 предполагается использовать псевдослучайные последовательности, которые полностью совпадают с IS-95.

     Частота следования чипов (чип - один элемент ПСП) во всех режимах работы cdma 2000 выбрана кратной частоте следования чипов IS-95, что, естественно, ведет к необходимости создания двухрежимных БС и АС.

     Стандарт cdma 2000 предусматривает возможность работы с использованием различных частотных полос в зависимости от отведенного частотного диапазона и уровня сервиса. Полоса частот, занимаемая сигналом системы cdma 2000, равна nx 1,25 МГц, где N = 1, 3, 6, 9,12. При этом в прямом канале возможны два варианта. Первый предполагает прямое расширение спектра с использованием ПСП с чиповой скоростью nx 1,2288 Mchips/sec. Второй предусматривает использование N несущих, на каждой из которых спектр сигнала расширяется посредством ПСП с чиповой скоростью 1,2288 Mchips/sec. В обратном канале возможно только прямое расширение спектра посредством ПСП с чиповой скоростью Nx 1,2288 Mchips/sec.

     Всего используются две короткие ПСП длиной по 2¹⁵ чипа и одна длинная ПСП длиной 2 чипа. При этом все БС и все мобильные станции (МС) используют одни и те же короткие ПСП. Базовые станции предполагается синхронизировать с помощью системы GPS. Для того, чтобы можно было отличить сигналы соседних БС, в стандарте cdma 2000 на всех БС применяют короткие ПСП с различными сдвигами. Минимальный временной сдвиг для соседних БС составляет 64 чипа ПСП, кратность сдвига - также 64 чипа. Длинная ПСП, персональная для каждого пользователя, используется в прямом канале (БС - МС) для скремблирования передаваемых данных, что способствует сохранению конфиденциальности сообщения. В прямом направлении для кодового разделения каналов используются функции Уолша.

     В обратном направлении (МС - БС) длинная ПСП обеспечивает кодовое разделение каналов.

     В режиме передачи со многими несущими для модуляции всех несущих используются одинаковые схемы модуляторов.

     Европейский проект стандарта W-CDMA не преследует целей совместимости с какой-либо существующей мобильной системой. Поскольку предполагается совместная эксплуатация оборудования стандартов GSM и W-CDMA, то это предполагает разработку двухрежимных радиотелефонов, что, однако, не создает особых проблем и не должно привести к значительному увеличению стоимости.

     Промодулированный сигнал европейского стандарта W-CDMA занимает полосу частот, равную 5 МГц, причем используется только прямое расширение спектра с помощью ПСП, чиповая скорость которой составляет 4,096 Mchips/sec.

     Асинхронное построение сети БС системы W-CDMA делает ее независимой от внешнего механизма синхронизации (GPS). В прямом направлении для разделения БС используются фрагменты кодов Голда длиной 40960 чипов (10 мс). Информационные каналы одной БС в прямом направлении разделяются с помощью ортогональных кодов переменной длины.

     В обратном направлении для разделения мобильных станций предполагается использовать два вида комплексных  кодовых последовательностей вида с, + jCy.

     В первом случае последовательности с/ и  Су представляют собой коды Касами длиной 256 чипов (короткий код). Во втором случае последовательности с, и Сд представляют собой фрагмент кодов Голда длиной 40960 чипов (длинный код). Выбор конкретного кода для мобильной станции определяется командой с соответствующей БС. В прямом направлении в стандарте W-CDMA общий пилот-сигнал для всех МС не предусматривается. Вместо него группы пилот-символов передаются персонально каждому пользователю в начале каждого слота.

     Для увеличения скорости передачи информации вплоть до 2 Мбит/с оба стандарта предусматривают возможность многокодовой передачи, т.е. возможность выделения одному пользователю нескольких канальных кодов одновременно.

     Для реализации европейской концепции  UMTS была разработана программа ACTS, содержащая около 160 международных проектов НИР/ОКР в области перспективных технологий связи, мультимедиа, мобильных систем и ключевых приложений. В рамках программы ACTS были исследованы многие архитектурные, технологические и прикладные проблемы, касающиеся построения мобильных систем 3-го поколения. Все эти проблемы нашли свое решение в проектах ASPECT, AWACS, COBUCO, CRABS, SECOMS/ABATE, SINUS, SUCOMS, TOMAS и др.

     В частности, проект COBUCO имел целью построить полностью функционирующую демонстрационную систему UMTS для оценки различных технических аспектов при использовании мультимедийных служб. В качестве ключевых вопросов были исследованы:

     интеграция  АТМ и DECT технологий;

     управление  вызовами и мобильностью на базе коммутационной платформы АТМ;

     взаимодействие  АТМ сетей с мобильными сетями;

     повышение производительности DECT терминалов до 256 кбит/с;

     реализация  мобильного IP и интеграция с Internet;

     создание  беспроводных АТМ сетей, использующих радиоинтерфейс DECT. Концепция UMTS предусматривает возможность передачи данных со скоростью 256 кбит/с по радиоинтерфейсу и до 155 Мбит/с при фиксированном доступе к АТМ сетям.

     Спутниковая связь является важнейшим элементом  будущих мобильных систем, так  как обладает многими уникальными  архитектурными и технологическими возможностями. Спутниковый сегмент проекта UMTS, названный S-UMTS, следует рассматривать как развитие многих глобальных систем спутниковой связи. Предварительные исследования позволили определить принципы взаимодействия таких глобальных спутниковых систем как Indium, Globalstar и Inmarsat-P с сухопутными сетями подвижной связи стандарта GSM. Разработаны также единые абонентские терминалы для работы в спутниковых сетях и сетях GSM с автоматическим межсетевым роумингом абонентов.

     В рамках программы ACTS непосредственно с интеграцией спутниковых сетей и UMTS связаны проекты SECOMS/ABATE, SINUS, TOMAS и др.

     С ноября 2005 г. началась коммерческая эксплуатация системы Indium. Контроль и управление низкоорбитальной космической группировкой, состоящей из 66 ИСЗ, осуществляется с наземных пунктов слежения и телеметрии, расположенных в Канаде, Исландии и на Гавайских островах.

     По  данным российской печати, стоимость  мобильного терминала составила  приблизительно 3 тыс. долларов, абонентская плата - около 110 долларов, а стоимость услуг - 3 - 5 долл/мин.

     Таким образом, при очевидном техническом  успехе подтвердились и худшие предсказания пессимистов в смысле коммерческих возможностей проекта Indium. Сравнительно высокая стоимость услуг и абонентского оборудования и крайне низкая скорость доступа в Internet на фоне хорошо развитых ССПР в населенных зонах явились причиной того. что числи абонентов Iridium оказалось ниже предполагаемой величины. Такое развитие событий привело к тому. что в течение первой половины 2006 г. произошло резкое падение курса акций этого консорциума.

     Получило  свое подтверждение и представление  о том, что глобальные коммерческие спутниковые системы не могут  минимизировать отношение цена/услуга. Следует отметить, что указанные недостатки проектов спутниковых систем глобальной связи были давно известны специалистам. В частности, на низкую эффективность низкоорбитальных систем обратил внимание С.В. Бородич еще в 2005 г.

     Отмеченные  обстоятельства могут внести существенные изменения в обе составляющие концепции UMTS (космическую и земную). Поэтому представляется уместным обратить внимание на некоторые проекты, которые находятся на различных стадиях реализации и имеют непосредственное отношение к мобильным системам связи.

     Прежде  всего следует упомянуть геостационарные  спутники нового типа. Они снабжаются огромными антеннами диаметром до 30 м, которые раскрываются в космосе по принципу зонтика (так называемые "футбольные поля в космосе"). Энергетический потенциал такой космической линии настолько высок, что мощность передатчика мобильной станции можно снизить до 0,1 Вт. Все это дает возможность разместить радиотелефон в корпусе наручных часов, как утверждает в своих рекламных заявлениях фирма Samsung.

     Применение  данной технологии позволит развернуть мобильную связь на огромных пространствах  без применения наземных сотовых  сетей, которые требуют организации  роуминга для охвата больших территорий. Если же применить коммутацию каналов на борту, то абоненты мобильных сетей смогут непосредственно связываться друг с другом, находясь в Европе, Азии или Африке, без наземных операторов, т.е. использовать технологию одного скачка.

     Второе  направление связано с использованием аппаратов легче воздуха для  размещения на них телекоммуникационного  оборудования. Специалисты обратили внимание на то обстоятельство, что примерно 250 городов на Земле используют до 80% всего телекоммуникационного трафика. Поэтому и возникла идея поднять над этими городами дирижабли с многофункциональным приемопередающим оборудованием. Внутри дирижабля находится гелий. Длина его может быть около 157 м, а диаметр - 63 м. Возможны также целые платформы, состоящие из двух скрепленных дирижаблей. Общая масса аппарата составляет примерно 11 т, из которых непосредственно на оборудование связи приходится 10 - 15%. Размещают такой дирижабль в районе крупных городов на высоте 21 км, т.е. выше существующих авиационных линий, где ветровой напор слабее, чем в более низких слоях атмосферы.

     Над реализацией подобного проекта  несколько лет работает компания Sky Station International Inc. (США). Компания планирует, начиная с 2007 г., установить 250 платформ над всеми крупными городами мира.

     Для проекта Sky Station выбран миллиметровый диапазон, который ранее не использовался. Этот диапазон ITU-R закрепил за системами стратосферной связи. Для нисходящей линии планируется использовать частоты 47,2 - 47,5 ГГц, а для связи Земля - платформа - диапазон 47,9 - 48,2 ГГц.

     Зона  обслуживания одного дирижабля представляет собой территорию диаметром до 1000 км, которая разделяется на три концентрические части диаметром 40, 125 и 1000 км. Всего на этой территории предполагается создать до 2100 виртуальных сот различных размеров. В пределах радиовидимости предполагается организовать все виды связи: скоростной Internet, интерактивное телевидение, цифровое радиовещание, электронную почту, мобильную широкополосную связь, пейджер и т.д.

     Всего на всех 250 платформах планируется организовать 150 миллиардов каналов при скорости 64 кбит/с по ценам, которые будут гораздо ниже тех, которые присущи спутниковым системам связи.

     В качестве энергетической установки  предполагается использовать солнечные  батареи с удельной мощностью 300 Вт/кг, Полагают, что общая энергетика дирижабля составит 100-300 кВт.

     На  пути реализации проекта стоит ряд  нерешенных проблем. Укажем две из них. Пока не ясно, как удержать гелий во внутренней оболочке в течение всего срока службы дирижабля. который оценивается в 10 - 12 лет. Здесь необходимо учитывать, что все конструкции дирижабля подвергаются воздействию солнечных лучей, интенсивного космического излучения и озона, который является агрессивной средой.

     Не  решен вопрос о стабилизации аппарата в пространстве. Точность стабилизации должна быть 30 - 40 м. Вначале специалисты Sky Station рассчитывали использовать для удержания дирижабля ионный ксеноновый реактивный двигатель, который применяется на геостационарных ИСЗ для коррекции орбиты. Потом было решено заменить его более совершенным коронно-ионным двигателем. Реактивная тяга в нем создается потоком ионизированного воздуха.

     Сейчас  трудно сказать, какова будет окончательная  конструкция 250 стратосферных платформ, которые должны начать работу к 2005 г. Общая стоимость проекта оценивается в 2,5 млрд долл. Ожидается, что абонентский терминал будет стоить около 200 долл., а минутный тариф на передачу по каналу со скоростью 64 кбит/с не превысит нескольких центов.