Сотовые системы подвижной связи

Все перечисленные  выше цифровые системы второго поколения  основаны на методе множественного доступа  с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access -TDMA). Однако уже в 1992 - 1993 гг. в США был разработан стандарт ССС на основе метода множественного доступа с кодовым разделением каналов (Code Division Multiple Access - CDMA) - стандарт IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995-1996 гг. в Гонконге, США, Южной Корее, а в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц.

Основные цифровые стандарты ССС:

• D-AMPS (Digital AMPS - цифровой AMPS; диапазоны 800 МГц и 1900 МГц);
• GSM (Global System for Mobile communications - глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц) - это второй по распространенности стандарт мира;
• CDMA (диапазоны 800 и 1900 МГц);
• JDC (Japanese Digital Cellular - японский стандарт цифровой сотовой связи).

Цифровые ССПС по сравнению с аналоговыми системами  предоставляют абонентам больший  набор услуг и обеспечивают повышенное качество связи, а также взаимодействие с цифровыми сетями ISDN и пакетной передачи данных (PDN).

Характеристики  цифровых стандартов представлены в  табл. 2.

Дальнейшее развитие ССПС осуществляется в рамках создания проектов систем третьего поколения (3G), которые будут отличаться унифицированной  системой радиодоступа.

Программа IMT-2000 (International Mobil Telecommunications-2000) по созданию нового семейства систем подвижной связи третьего поколения, охватывает технологии, наземной сотовой, спутниковой связи и беспроводного доступа.

Суть новой концепции  состоит в совмещении существующих сетей с системами, базирующимся на новом семействе стандартов 3-го поколения, которое получило обозначение IFS (IMT-2000 Family of Systems).

Таблица 2. Сравнительные  характеристики цифровых стандартов

Характеристика	GSM (DCS 1800)	D-AMPS (ADC)	JDC	CDMA
Метод доступа	TDMA	TDMA	TDMA	CDMA
Число речевых каналов  на несущую	8(16)	3	3	32
Рабочий диапазон частот, МГц	935-960 890-915 (1710-1785) (1805-1880)	824-840 869-894	810-826 940-956 1429-1441 1447-1489 1501-1513	824-840 869-894
Разнос каналов, кГц	200	30	25	1250
Эквивалентная полоса частот на один разговорный канал, кГц	25(12.5)	10	8.3	-
Вид модуляции	0.3 GMSK	п/4 DQPSK	п/4 DQPSK	QPSK
Скорость передачи информации, кбит/с	270	48	42	57.6
Скорость преобразования речи, кбит/с	13(6.5)	8	11.2(5.6)	9.6
Алгоритм преобразования речи	RPE-LTR	VSELP	VSELP	-
Радиус соты, км	0.5-35.0	0.5-20.0	0.5-20.0	0.5-25.0

Сегодня наиболее вероятно, что в странах с развитой телекоммуникационной инфраструктурой переход к 3-му поколению  будет происходить путем совершенствования  существующих аналоговых и цифровых сетей и создания условий для  предоставления новых услуг мультимедиа, включая высокоскоростную симметричную и асимметричную передачу информации с высоким качеством связи, факсимильных сообщений и данных, любому абоненту с помощью мобильного терминала, имеющего единый номер. Набор услуг должен приближаться к перечню, предоставляемому в сетях ISDN (видеоконференц-связь, работа в режиме коммутации каналов и коммутации пакетов, взаимодействие с приложениями Internet, IN). Транспортная сеть должна обеспечить межсетевое взаимодействие и прозрачность доступа к услугам независимо от местонахождения абонентов.

Параллельно будут  создаваться маленькие «островки» ЗG-технологий (WCDMA и др.), которые станут расширяться с ростом числа абонентов. Этап внедрения новых технологий продлится не менее четырех лет (2002-2005 гг.), а совместное существование систем 2-го и 3-го поколений - примерно до 2010 г.

Такая стратегия  обеспечивает последовательную модификацию  составных элементов сетей, причем абонентская часть (терминалы), должна будет удовлетворять требованиям  многих стандартов.

В настоящее время  необходимо дать возможность всем операторам действующих сетей использовать существующую инфраструктуру при реализации набора новых услуг IMT-2000. В связи  с этим, в Международном союзе  электросвязи (МСЭ) завершается процесс  стандартизации новых технологий и рабочие группы осуществляют разработку детальных спецификаций.

Программа IMT-2000 базируется на ряде принципиальных положений, определяющих принципы построения систем.

Архитектура систем будущего должна включать в себя два  основных элемента: сетевую инфраструктуру (Access Network) и магистральные базовые сети (Core Network). Она должна обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т. е. разных скоростей его движения) в зависимости от величины зоны покрытия:

• до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия;
• до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;
• до 64 (144) кбит/с при глобальном покрытии (спутниковая связь).

Для разработки принципиально  новых подходов к построению радиоинтерфейса было образовано два объединения: 3GPP и 3GPP2.

В первое объединение (3GPP) входят ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет  Т1 (США), а также три региональных органа стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона - CWTS (Китай), ТТА (Корея) и ТТС (Япония).

3GPP предложило объединить  пять проектов: UTRA FDD (ETSI), WCDMA (ARIB), WCDMA NA (T1P1, США), WIMS (TR-46.1, США) и CDMA II (ТТА). В качестве перспективных рассматриваются  два варианта радиоинтерфейса.

Первый вариант - IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) - построен на базе проектов WCDMA (UTRA FDD) с прямым расширением спектра (DSCDMA) и частотным дуплексным разносом (FDD), ориентированным на использование в парных полосах частот.

Другой тип радиоинтерфейса - IMT-TC (IMT-2000 Time-Code), основан на кодово-временном разделении каналов TDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (TDD) и предназначен для организации связи в непарных полосах частот.

В Европе выработали единую политику перехода к 3-му поколению, в результате чего количество ее проектов ограничилось двумя: UTRA и DECT ЕР.

Аббревиатура IMT-FT (IMT-2000 Frequency Time) присвоена проекту DECT EP, который поступил от ETSI. Новый стандарт на микросотовую систему DECT предполагает применение комбинированного частотно-временного дуплексного разноса и предназначен для работы как в парных, так и в непарных полосах частот. В IMT-FT определены три значения скоростей передачи: 1,152; 2,304 и 3,456 Мбит/с, реализовать которые можно за счет введения новых методов модуляции п/2 DPSK, -п/4 DQPSK и п/8 D8PSK соответственно.

Во второе объединение (3GPP2) входят Ассоциация промышленности связи TIA и ряд азиатских региональных организаций: ARIB, CWTS, ТТА и ТТС.

Предложения от 3GPP2 представлены двумя вариантами радиоинтерфейсов, получившими обозначение IMT-MC (IMT-2000 Multi Carrier) и IMT-SC (IMT-2000 Single Carrier).

Первый из них - IMT-MC - по сути представляет собой модификацию многочастотной системы cdma2000, в которой обеспечивается обратная совместимость с оборудованием стандарта cdmaOne (IS-95) (cdmaOne - коммерческое название системы, разработанной по спецификациям стандарта IS- 95). Увеличение пропускной способности реализуется за счет одновременной передачи сигналов на нескольких несущих с частотным дуплексным разносом, предполагается работа в непарных полосах частот.

Радиоинтерфейс IMT-SC базируется на спецификациях проекта стандарта UWC-136. В нем определено поэтапное расширение возможностей существующей системы TDMA при условии работы системы в парных полосах частот.

В соответствии с  концепцией IMT-2000 в системах 3-го поколения  предполагается создание единого частотного пространства шириной 230 МГц с разными  сценариями использования.

Основа этих сценариев – режимы FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex). Новизна технологии IMT-2000 связана прежде всего с выделением парных полос частот для систем, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD), и непарных – для систем с временным дуплексным разносом (TDD).

Комбинированное использование  этих двух режимов делает систему  гибкой, позволяя изменять пропускную способность и способы организации  связи. Режим FDD более эффективен при  больших размерах сот и высокой  скорости передвижения абонентов, а TDD. напротив, предназначен для работы в пико и микросотах, т. е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.

Элементы  сетей сотовой связи

Функциональная  схема

Система сотовой  связи строится в виде совокупности ячеек (сот), покрывающих обслуживаемую  территорию. Ячейки обычно схематически изображают в виде правильных шестиугольников. В центре каждой ячейки находится  базовая станция (БС), обслуживающая  все подвижные станции (ПС) в пределах своей ячейки. При перемещении  абонента из одной ячейки в другую происходит передача его обслуживания от одной БС к другой. Все БС соединены  с центром коммутации (ЦК) подвижной  связи по выделенным проводным или  радиорелейным каналам связи. С  центра коммутации имеется выход  на ТфОП. На рисунке 1 приведена упрощенная функциональная схема, соответствующая описанной структуре системы.            

  

Рис. 1. Состав сети сотовой подвижной связи

Система сотовой  связи может включать более одного ЦК, что может быть обусловлено  эволюцией развития сети или ограниченностью  емкости коммутационной системы. Например, возможна структура системы с  несколькими ЦК (рис. 2), один из которых  условно можно назвать головным, шлюзовым или транзитным.

Рис. 2. Сеть сотовой связи с двумя  центрами коммутации

В простейшей ситуации система содержит один ЦК (рис. 1), при  котором имеется домашний регистр, и она обслуживает относительно небольшую замкнутую территорию, с которой не граничат территории, обслуживаемые другими системами. Если система обслуживает большую  территорию, то она может содержать  два или более ЦК (рис. 2), из которых  только при «головном» имеется домашний регистр, но обслуживаемая системой территория по-прежнему не граничит с  территориями других систем. В обоих  этих случаях при перемещении  абонента между ячейками одной системы  происходит передача обслуживания, а  при перемещении на территорию другой системы - роуминг. Если система граничит с другой ССС, то при перемещении  абонента из одной системы в другую имеет место межсистемная передача обслуживания.

Подвижная станция

Блок-схема цифровой подвижной станции (ПС) приведена  на рис. 3. В ее состав входят: блок управления; приемопередающий блок; антенный блок.

Блок управления включает в себя микротелефонную  трубку (микрофон и динамик), клавиатуру и дисплей. Клавиатура служит для  набора номера телефона вызываемою абонента, а также команд, определяющих режим работы ПС. Дисплей служит для отображения различной информации, предусматриваемой устройством и режимом работы станции.

Приемопередающий  блок состоит из передатчика, приемника, синтезатора частот и логического  блока.

В состав передатчика  входят: АЦП - преобразует в цифровую форму сигнал с выхода микрофона  и вся последующая обработка и передача сигнала речи производится в цифровой форме; кодер речи - осуществляет кодирование сигнала речи, т.е. преобразование сигнала, имеющего цифровую форму, по определенным законам с целью сокращения его избыточности; кодер канала – добавляет в цифровой сигнал, получаемый с выхода кодера речи, дополнительную (избыточную) информацию, предназначенную для защиты от ошибок при передаче сигнала по линии связи; с той же целью информация подвергается определенной переупаковке (перемежению); кроме того, кодер канала вводит в состав передаваемого сигнала информацию управления, поступающую от логического блока; модулятор - осуществляет перенос информации кодированного видеосигнала на несущую частоту.

Рис. 3. Блок-схема подвижной станции

Приемник по составу  соответствует передатчику, но с  обратными функциями входящих в  него блоков: демодулятор - выделяет из модулированного радиосигнала кодированный видеосигнал, несущий информацию; декодер  канала - выделяет из входного потока управляющую  информацию и направляет ее на логический блок; принятая информация проверяется  на наличие ошибок, и выявленные ошибки исправляются; до последующей  обработки принятая информация подвергается обратной (по отношению к кодеру) переупаковке;декодер речи - восстанавливает поступающий на него с кодера канала сигнал речи, переводя его в естественную форму, со свойственной ему избыточностью, но в цифровом виде; ЦАП -преобразует принятый цифровой сигнал речи в аналоговую форму и подает его на вход динамика; эквалайзер - служит для частичной компенсации искажений сигнала вследствие многолучевого распространения; по существу, он является адаптивным фильтром, настраиваемым по обучающей последовательности символов, входящей в состав передаваемой информации; блок эквалайзера не является функционально необходимым и в некоторых случаях может отсутствовать.

Логический блок - это микрокомпьютер, осуществляющий управление работой ПС. Синтезатор является источником колебаний несущей  частоты, используемой для передачи информации по радиоканалу. Наличие  гетеродина и преобразователя частоты  обусловлено тем, что для передачи и приема используются различные  участки спектра (дуплексное разделение по частоте).