Мобильные системы третьего поколения

Юрий Горностаев

Европейский подход к созданию концепции мобильных систем третьего поколения IMT-2000 базируется на успешном десятилетнем опыте разработки и внедрения GSM. Не менее важным фактором является общеевропейская политика регулирования телекоммуникационных рынков и правил лицензирования, сертификации и экспорта/импорта оборудования мобильной связи. На уровне Европейского парламента в 1993 - 1998 гг. были приняты многие важные политические решения, создавшие общеевропейскую правовую основу для динамического развития рынков мобильных коммуникаций. Действительно, приступив к строительству общеевропейского информационного общества, Европа в своих политических программах отводит важную роль технологиям мобильной связи как главному инструменту создания мобильного информационного общества.

Европейский проект, представленный Международным институтом стандартов связи (ETSI) в Международный союз электросвязи (МСЭ), фактически объединяет две технологии - TDMA-канальную реализацию CDMA и широкополосную W-CDMA. Первая, TDMA/CDMA, призвана обеспечить совместимость с GSM и на этой основе сохранить инфраструктуру GSM-сетей при переходе к системам третьего поколения. Вторая, W-CDMA, содержит ряд принципиально новых технических решений, направленных на реализацию высокоскоростных, мультимедийных и Internet-подобных услуг связи. Она представлена такими мировыми лидерами, как Ericsson, Nokia и Siemens, активно участвующими в строительстве японских полигонов будущих сетей мобильной связи. В борьбе за мировые стандарты третьего поколения ETSI и ARIB действуют согласованно, в частности, координируют свою критическую политику по отношению к cdma2000. Важно отметить, что их совместные позиции будут все более усиливаться по мере внедрения экспериментальных сетей на базе W-CDMA, интенсивно разрабатываемых с 1998 г. в совместных проектах компаниями DoCoMo (ведущий японский оператор мобильной связи), Ericsson и Nokia. Японский рынок компьютеров и телекоммуникаций значительно опередил рынки многих стран по своей зрелости и готовности воспринять в массовом масштабе услуги мобильной связи для мультимедийных и Internet-приложений. Уже в 2000 г. несколько миллионов абонентов в Японии станут обладателями мобильных мультимедийных терминалов (ММТ) и продемонстрируют всему миру работоспособность и качество услуг связи нового поколения.

Азия. Огромный потенциал азиатского рынка с учетом численности населения и инновационной восприимчивости Китая, Японии, Южной Кореи, Малайзии, Сингапура и Индии решающим образом определяет будущее развитие мобильной связи нового поколения. Активная позиция этих стран в программе IMT-2000 убедительно доказывает их стремление стать мировыми лидерами в отраслях массового применения новейших технологий связи.

Япония наряду со Швецией стала одной из первых стран, приступивших к полевым испытаниям сетей W-CDMA, - они были начаты еще в 1994 г. Успешная демонстрация высокоскоростной передачи данных по W-CDMA-радиоканалу была осуществлена фирмой DoCoMo в 1996 г. Не разделяя североамериканских требований к расширению выделенного МСЭ спектра до 499 МГц, Япония занимает умеренную позицию по эксплуатации новых систем в частотном диапазоне, зафиксированном решением WARC-92 для IMT-2000. Эта страна отличается повышенной рыночной активностью при внедрении новых товаров и услуг, что в условиях высокоразвитой микроэлектронной промышленности дает ей богатые возможности для аргументации в продвижении своего стандарта W-CDMA в органах МСЭ. Многие эксперты считают, что на состоявшихся в ETSI (январь - февраль 1998 г.) решающих голосованиях по выбору технологии третьего поколения к W-CDMA был проявлен значительный интерес именно благодаря очень обоснованной поддержке японских фирм - членов ETSI.

Проект W-CDMA/ARIB, представленный Японией, выглядит наиболее тщательно проработанным и аргументированным с технической точки зрения.

Южная Корея с 1991 г. активно участвует в разработках и внедрении сетей CDMA. Для этой страны международные стандарты мобильной связи и прежде всего будущие стандарты IMT-2000 особенно важны, так как южнокорейские гиганты Samsung и Hyundai вынашивают серьезные планы по выходу на мировой телекоммуникационный рынок. Таким образом, Южная Корея разрабатывает для IMT-2000 проекты трех стандартов:

- CDMA I - широкополосный вариант асинхронной технологии DS-CDMA;

- CDMA II - асинхронная технология DS-CDMA;

- SAT-CDMA - стандарт персональной связи для 49-спутниковой низкоорбитальной группировки (LEO).

Китайская академия телекоммуникационной технологии (CATT, China Academy of Telecommunication Technology) представила свой проект технологии TD-CDMA (Time-Division Synchronous CDMA) в МСЭ в качестве кандидата на стандарт для IMT-2000.

Таким образом, в настоящее время в МСЭ на рассмотрении находятся 15 проектов (табл. 1.).

Таблица 1. Технологии радиопередачи, представленные в МСЭ для программы IMT-2000

Стратегии перехода к третьему поколению систем

Начальный этап внедрения сетей третьего поколения (3G-системы) планируется на 2001 - 2003 гг., когда общемировым рынком услуг мобильной связи будут пользоваться 600 млн. абонентов. Капитальные вложения операторов связи в создание и развитие такого гигантского рынка, по оценке экспертов, превысят 60 млрд. долл. Очевидно, что массивность и инерционность общемирового рынка не позволят перейти на новые технические стандарты и режимы обслуживания абонентов в короткие сроки. Естественно ожидать, что в некоторых регионах и отраслях народного хозяйства создание сетей третьего поколения будет начато с нуля. Однако для стран с развитой телекоммуникационной инфраструктурой типичными станут две стратегии перехода:

- N-стратегия - ускоренное движение действующих (narrowband - узкополосных) технологий (D-AMPS, GSM и др.) к новым функционально-техническим рубежам, определенным стандартами третьего поколения;

- W-стратегия - создание и внедрение принципиально новых (wideband - широкополосных) технологий, достижение качественно нового уровня услуг связи и производительности при их высокой экономичности, массовое проникновение систем в новые области бизнеса, здравоохранения и образования.

На рис. 1 показана общая схема технологического развития мобильной связи в ближайшие 3 - 5 лет по двум стратегиям развития. Мощные фирмы-производители (Ericsson, Nokia, Lucent, Motorola, Siemens, Qualcomm и др.), располагающие большим потенциалом для проведения исследовательских работ, пойдут по обоим направлениям N и W параллельно. Крупные операторы мобильной связи, обслуживающие от сотен тысяч до миллионов абонентов, видимо, отдадут предпочтение одной из технологий - или более консервативной N-стратегии, или абсолютно новаторской W-стратегии. Молодые компании-операторы или мощные компьютерные фирмы типа Microsoft и Oracle, осваивающие новые для себя рынки без страха потерять капиталовложения в действующие сети, естественно, станут апологетами 3G- и 4G-технологий.

Рис. 1. Две стратегии перехода к системам третьего поколения

Чтобы “приземлить” эти общие рассуждения о смене поколений и борьбе “старого” и “нового”, рассмотрим на примере трех наиболее массовых технологий второго поколения - AMPS/D-AMPS (около 60 млн. абонентов) и GSM (около 100 млн. абонентов), - как будут осуществляться технологические усовершенствования с целью постепенного перехода к системе третьего поколения.

Развитие сетей D-AMPS и их переход к третьему поколению

Сети D-AMPS на базе архитектуры IS-136 в большой степени отвечают требованиям IMT-2000. Североамериканский консорциум UWCC (Universal Wireless Communications Consortium), объединяющий ведущих поставщиков оборудования и операторов сетей D-AMPS, в качестве приложения по радиотехнологии для IMT-2000 разработал свой проект - W-CDMA NA. Этот проект представляется по линии комитета TR45.3, действующего в рамках TIA и имеющего своих представителей в составе делегации США в органах МСЭ.

Фирма Ericsson активно участвует в подготовке проектных предложений для IMT-2000 как по линии ETSI (проект UMTS), так и по линии UWCC (проект UWC-136). Такая двойственность объясняется рыночными факторами. В основе каждого проекта реализуется принцип совместимости с действующими сетевыми инфраструктурами - D-AMPS (проект UWCC) и GSM (проект UMTS). Очевидно, что Ericsson, занимающая лидирующие позиции на рынке оборудования сетей D-AMPS и GSM (общийобъем абонентской базы достигает 200 млн. абонентов), стремится сохранить свое лидерство при переходе к сетям третьего поколения. Стратегия компании Ericsson состоит в выпуске усовершенствованного оборудования 200 кГц/TDMA для существующего узкополосного спектра и нового W-CDMA - для широкополосного.

Общая логика перехода к системам третьего поколения, стратегически поддерживаемая Ericsson, показана на рис. 2.

Рис. 2. Конвергенция радиоинтерфейсов сетей IS-136, GSM и W-CDMA

Существующие сети D-AMPS. Основной действующий стандарт D-AMPS ETA/TIA IS-136 Rev.A, опубликованный в 1996 г., содержит как базовый стандарт ETA 553, так и новые цифровые функции: двухрежимные терминалы, кодек VSELP 8 кбит/с, пакетную передачу данных CDPD 19,2 кбит/с, службу передачи коротких сообщений SMS, факсимильную передачу G3 и др.

В настоящее время внедряется версия В стандарта IS-136, в которой появились новые возможности - широковещательный режим SMS, интеллектуальный роуминг, пакетные данные TDMA, развитые режимы передачи данных 19,2 и 28,8 кбит/с, транспортный протокол телесервиса GNATT и т. д. В следующей версии, названной D-AMPS+, планируется реализовать передачу данных в режиме коммутируемых каналов и пакетной коммутации на скорости до 64 кбит/с, а также двухполосные режимы 800 и 1900 МГц.

Схема на рис. 3 иллюстрирует этапы технологического развития сетей D-AMPS, которое осуществлялось в течение последних трех лет до того момента, пока МСЭ не обозначил функциональные требования и четкие сроки по IMT-2000. В рамках UWCC в начале 1998 г. было решено положить в основу технологии третьего поколения ряд технических решений, развивающих TDMA в направлении модуляции (high level modulation), расширения спектра до 200 кГц на несущую и увеличения скорости передачи данных до 384 кбит/с. Скорость 2 Мбит/с как верхний предел для внутриофисного применения может быть достигнута при использовании более широкого TDMA-канала путем агрегирования 8 - 10 каналов по 200 кГц.

Рис. 3. Развитие технологии D-AMPS

Переход сетей GSM к третьему поколению

Развитие стандартов GSM идет по нескольким взаимосвязанным направлениям:

- интеграция с другими сетями радиосвязи - DECT, DCS1800, PSC1900 - и узлами доступа к Internet/intranet;

- внедрение новых технологий TDMA, обеспечивающих высокоскоростную передачу данных, построение сетей типа Х.25, IP и АТМ с коммутацией пакетов;

- развитие различных сервисных функций (биллинг, новые трехвольтные технологии SIM, подключение факсимильных аппаратов, принтеров, бесшнуровых телефонов, модемов, введение процедуры защиты связи и т. п.);

- включение в архитектуру GSM новых протоколов и прикладных служб, отвечающих требованиям систем третьего поколения.

Развитие GSM в направлении UMTS обеспечивается новой многоканальной технологией TDMA (спецификация EDGE), на базе которой планируется реализовать высокоскоростные транспортные протоколы типа АТМ и TCP/IP.

Новые радиопротоколы EDGE и GPRS надстраиваются над стандартной схемой радиодоступа TDMA. Однако физический уровень TDMA будет значительно усовершенствован; полоса несущей в радиоканале расширяется до 200 кГц; вводится новый метод модуляции, обеспечивающий скорость передачи в одном слоте 62 кбит/с; общая производительность сети на базе EDGE-технологии в условиях локальной сети радиодоступа достигает 520 кбит/с.

Служба пакетной передачи GPRS реализует в радиосети GSM логические каналы, механизмы установления/разъединения виртуальных каналов и протокольных услуг для поддержки транспортных протоколов сетей коммутации типа Х.25 и IP. Абонент мобильной сети, использующий GPRS, может для решения разнообразных прикладных задач подключиться через сеть Х.25 или IP к удаленному Web-серверу или хост-машине сети. Инфраструктура действующей GSM-сети остается при этом неизменной, однако дополнительно вводятся узлы пакетной коммутации (коммутаторы радиопакетов).

Архитектура семейства мобильных систем IMT-2000

Новая концепция “семейства мобильных систем” была принята в сентябре 1997 г. на заседании рабочей группы SG11 МСЭ-T в качестве идеологической основы объединения существующих систем второго и будущих третьего поколения. Концепция семейства систем IMT-2000 получила краткое обозначение IFS (IMT-2000 Family of Systems) и развивается в соответствии со следующими базовыми принципами.

- IFS определяет относительно небольшое число существенных элементов.

- Отдельные сети мобильной связи третьего поколения, создаваемые в странах, регионах или международными корпорациями, при включении в IFS-семейство должны быть зарегистрированы, в частности, необходима проверка на соответствие международным стандартам IMT-2000. Регистрация может проходить не на уровне конкретных сетей, а на уровне общих стандартов (например, это допустимо для систем стандарта UMTS).

- Общие свойства входящих в IFS сетей мобильной связи следует четко зафиксировать - таким образом будут обеспечены глобальный роуминг, высокое качество услуг связи, обслуживание массовых абонентов, предоставление мультимедийных услуг, интеграция наземных и спутниковых систем и другие функции.

- Организация разработки базовых (общесистемных) стандартов возлагается на МСЭ.

- Детальные технические стандарты должны разрабатываться региональными и национальными организациями - ETSI, ARIB и т. п.

Работы в МСЭ по программе IMT-2000 организованы в рамках двух секторов - МСЭ-T и МСЭ-P (рис. 4).

Рис. 4. Схема организации работ МСЭ по программе IMT-2000

Концепция IFS предполагает использование многорежимных терминалов. При этом мобильный терминал (МТ) может обслуживаться единственной сетью доступа (однорежимный МТ) или работать с несколькими сетями доступа (многорежимный МТ). Для однорежимного МТ допускается работа через одну сеть доступа (например, через сеть GSM) со многими базовыми транспортными сетями (Core Networks), т. е. глобальный роуминг путем взаимодействия нескольких базовых сетей (например, по схеме GSM - UMTS - cdma2000). Естественно, что здесь речь идет о сетях, зарегистрированных в IFS, а не о существующих сетях второго поколения.

Таким образом, архитектура IFS должна обеспечить как общие международные стандарты на радиоинтерфейс, сигнализацию, адресацию абонентов и другие протоколы, так и высокий уровень унификации межсетевых взаимодействий, которые важны при переходе абонента из одной сети в другую (межсетевое управление, межсетевую адресацию и т. п.). Базовые интерфейсы, регламентированные в IFS, представлены на рис. 5.

Рис. 5. Базовые интерфейсы IFS

Требования к “некоторой сети” для включения в состав IFS определены в рабочем документе Q.FIN МСЭ.

IMT-2000 представляет собой рамочную программу разработки новых стандартов. Ввиду принятия в конце 1997 г. концепции “семейства систем” и разнообразия поступивших в МСЭ проектов, претендующих на роль стандарта третьего поколения, дальнейший ход событий представляется весьма неопределенным. Очевидно, что конкуренция различных региональных подходов, с одной стороны, и фирменных технологических решений, с другой, не будет ослабевать и, видимо, приведет к перегруппировке сил и концентрации их вокруг трех-четырех базовых технологий.

Провозгласив концепцию IFS и отказавшись тем самым от принципа единого международного стандарта, МСЭ активизирует свои усилия на детализации рамочной структуры стандартов третьего поколения. Эта структура будет развиваться по достаточно хорошо отработанной логике многоуровневых эталонных моделей взаимосоединения систем OSI/ISO. Как известно, семиуровневая модель OSI/ISO допускает большое разнообразие технологических решений на двух нижних уровнях (физического и логического каналов) и множество прикладных протоколов на верхних (уровни представления данных и прикладных служб). Наиболее жестко и унифицированно определены протокольные механизмы межсетевого и транспортного уровней эталонной модели ISO, где фактически приняты два стандарта: формальный ISO/МСЭ (ISO 8573) и де-факто TCP/IP.

Рамочная структура IMT-2000 должна определить общие транспортные и межсетевые протоколы, а также механизмы адаптации к тем новым технологическим решениям, которые будут появляться до 2005 г. в действующих сетях, таких, как GSM++, CDMA(IS-95)++, TDMA++ и т. п. (плюсами условно обозначены новые версии технологий: высокоскоростные, TCP/IP-совместимые, программно настраиваемые на уровне API и др.).

Перечислим базовые компоненты рамочной структуры IMT-2000:

- эталонная модель уровневых протоколов и межсетевых взаимодействий;

- общее частотное распределение (в соответствии с принятым на WARC-92 и планируемым к принятию на WRC-2000);

- рекомендации МСЭ по совместному функционированию различных радиоинтерфейсов и их развитию в направлении к частотным требованиям IMT-2000;

- рекомендации по принципам регулирования, обеспечивающим свободное перемещение (в глобальном масштабе) мобильных терминалов IMT-2000;

- рекомендации по частотным и радиоинтерфейсным процедурам взаимодействия наземных сетей третьего поколения и спутниковых сетей персональной связи.

Эталонная модель IMT-2000 должна определять общую (рамочную) архитектуру будущей глобальной сети мобильной связи, включая сетевую инфраструктуру на базе единой (или нескольких) сетей радиодоступа (Access Network - сеть радиодоступа) и единой (или нескольких) базовых сетей (Core Network - базовая сеть).

Различные сети радиодоступа могут быть определены по функциональному принципу среды доступа: спутниковая сеть, наземная сотовая сеть, беспроводные телефоны, сеть фиксированной связи и т. п.

Различные базовые сети можно определить с точки зрения требований постепенного развития действующих сетей, которые фактически будут соответствовать наиболее распространенным - GSM, D-AMPS, IS-95 и т. п.

Функциональный элемент VHE (Virtual Home Environment - виртуальная домашняя среда) является составной частью (как локальная радиосеть) общей архитектуры IMT-2000.

Несущественные различия между базовыми сетями в целях упрощения технологии многорежимных мобильных терминалов по возможности нужно устранить.

Архитектура IMT-2000 должна содержать четко специфицированные функциональные блоки для эксплуатационных служб сервис-провайдера и оператора сети.

Функциональный блок, регламентирующий радиодоступ к фиксированным сетям и объединенные режимы работы “фиксированный/мобильный”, необходимо полностью определить в терминах эталонной модели IMT-2000.

Следует отметить, что разработка архитектурных компонентов IMT-2000 тесно координируется с деятельностью других групп SG, действующих в рамках МСЭ-T и МСЭ-P по ряду смежных направлений. К наиболее важным смежным областям относятся следующие:

- сетевые службы (МСЭ-T SG2) - услуги, адресация и маршрутизация, защита от неправомочного доступа;

- мультимедиа (МСЭ-T SG16) - мультимедийные услуги, стандарты типа MPEG, кодеки голосовой связи;

- управление спектром (МСЭ-P SG1) - планирование частотных распределений, оценка эффективности использования спектра, совместное использование спектра, мониторинг, инженерное обеспечение;

- регулирование/процедуры (МСЭ-R, Специальный комитет по вопросам регулирования и процедур) - подготовка всемирных радиоконференций WRC и другие задачи.

В марте 1999 г. на заседании рабочей группы МСЭ началось рассмотрение проектов мобильной связи третьего поколения и в ближайшие месяцы будут приняты решения по выбору базового стандарта. В России уже начата работа по линии Госкомсвязи, направленная на создание отечественной концепции систем подвижной связи третьего поколения (СПС-3).

Продолжение. Начало см. PC Week/RE, №9/99, с. 15.