Файл: Учебнопрактическое пособие Владимир 2021.pdf

128 ская компания Qualcomm, разработавшая спецификацию IS-95
(CDMA-One). Сейчас именно на базе этого стандарта развивается од- но из направлений сотовой телефонии третьего поколения.
В CDMA различают три вида кодового разделения каналов – расширение спектра методом прямой последовательности (CDMA-
DS), частотных скачков (CDMA-FH) и временных скачков (CDMA-
ТН). В современных системах CDMA развитие получил метод досту- па CDMA-DS (в отечественной литературе он известен как передача на основе шумоподобных сигналов (ШПС)). В CDMA-DS каждый бит информационного сигнала заменяется некоторой фиксированной по- следовательностью определенной длины – базой сигнала. Ноль и еди- ница могут, например, кодироваться инверсными последовательно- стями. Для каждого канала задается определенная последователь- ность (код). Спектр сигнала расширяется пропорционально длине ба- зы.
Последовательности обычно подбирают ортогональными (ска- лярное произведение равно нулю). В приемнике происходит вычис- ление корреляционных интегралов входного сигнала и кодовой по- следовательности определенного канала. В результате принимается только тот сигнал, который был расширен посредством заданной ко- довой последовательности (корреляционная функция выше порогово- го значения). Все остальные сигналы воспринимаются как шум. Та- ким образом, в одной полосе могут работать несколько приемопере- датчиков, не мешая друг другу. Благодаря широкополосности сигнала снижается его мощность, причем при очень длинной базе – ниже уровня белого шума. При этом сильно возрастает помехоустойчи- вость, а с ней и качество связи – узкополосная помеха не повлияет на широкополосный сигнал. Кодовая последовательность автоматически является и элементом криптозащиты. Что особенно привлекательно для операторов сотовой связи – упрощается проблема частотного планирования, поскольку все станции работают в одной полосе. Все эти свойства и предопределили успех CDMA.
Сети IS-95 занимают практически тот же частотный диапазон, что и сети AMPS: 824-840 и 869-894 МГц. Нисходящий канал (от БС

129 к МТ) всегда на 45 МГц выше восходящего. Ширина канала – 1,25
МГц. Существует и более высокочастотная версия в диапазонах 1890-
1930 и 1950-1990 МГц. Там дуплексный разнос – 80 МГц. При работе в диапазоне до 900 МГц скорость передачи данных равна 1,2-9,6
Кбит/с, а в более высокочастотной версии – скорость передачи дан- ных 14,4 кбит/с.
Важная особенность стандарта IS-95 – гибкое управление мощ- ностью излучения МТ. В пределах соты уровни принимаемых БС сигналов должны быть одинаковыми независимо от удаления МТ.
Для этого мощность МТ регулируется по специальному алгоритму в диапазоне порядка 80 дБ с шагом 1 дБ каждые 1,25 мс. Кроме того, в
IS-95 скорость работы голосового кодека не постоянна, как в GSM, а может меняться в зависимости от интенсивности речи от 8 до 1,2 кбит/с. Эти особенности позволяют очень гибко регулировать загруз- ку в сети, не загружая соту избыточной информацией.
Одна БС может поддерживать до 64 каналов. Однако часть из них – служебные: пилотный, синхронизации, вызова. Оказывают вли- яние и соседние БС. Однако при фиксированной связи БС поддержи- вает до 40-45, при подвижной – до 25 каналов передачи трафика – и все это на одной частоте. Технология CDMA требует точной, до мик- росекунд, синхронизации БС. Для этого используют сигналы гло- бальной системы позиционирования GPS. Радиус соты – до 20км.
Третье поколение сотовой связи (технологии 3G)
Основной недостаток систем мобильной связи второго поколе- ния (GSM, CDMA) – низкая скорость передачи данных – 9,6-14,4 кбит/с. Поэтому был инициирован проект создания сетей третьего по- коления (3G) IMT-2000, в рамках которого была поставлена задача увеличить скорость потока данных до 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и до 384 кбит/с – для мобильных. В мире сформировались два глобальных партнерских объединения, формирующих стандарты
3G – 3GPP и 3GPP2 (3G Partnership Project). В первое вошли ETSI

130
(Европа), подкомитет Р1 телекоммуникационного комитета ANSI
(США), ARIB и ТТС (Япония), SWTS (Китай) и ТТА (Южная Корея).
Участники 3GPP сумели согласовать особенности своих подходов к технологии широкополосной CDMA (WCDMA) с частотным (FDD) и временным (TDD) дуплексированием, представив ITU проекты IMT-
DS и IMT-TC соответственно. В основу легло европейское предложе- ние UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access – радиоинтерфейс наземно- го доступа к системе UMTS) – UTRA FDD и UTRA TDD. IMT-2000 – это целая совокупность стандартов построения сетей третьего поко- ления, при этом в качестве одного из стандартов IMT-2000 предложе- но дальнейшее развитие технологии микросотовых сетей DECT (про- ект IMT-FT). Члены объединения 3GPP2 предлагают фактически эво- люционный путь – варианты развития технологий DAMPS (UWC-
136) и CDMA-One (CDMA-2000). Данные предложения представлены
ITU как проекты IMT-SC и IMT-MC.
Таким образом, наметилось два пути: революционный – там, где есть свободный частотный ресурс, и эволюционный – в остальных ре- гионах. В 1996 году в городе Чиста (Швеция) компания Ericsson запу- стила первую опытную сеть с технологией WCDMA. Эта технология легла в основу проекта наземного мобильного сегмента европейской универсальной системы телекоммуникаций UMTS. Было предложено два варианта WCDMA – с частотным и временным разносом прямого и обратного каналов (FDD WCDMA и TDD WCDMA) соответственно для парного (предполагается 2110-2170 и 1920-1980 МГц) и непарно- го спектра частот. Технология основывается на расширении спектра методом прямой последовательности в полосе 5 МГц на канал. Си- стема может поддерживать требуемые 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и 384 кбит/с – для мобильных. Предусмотрена возмож- ность применения интеллектуальных антенных систем (Smart-антенн с цифровым формированием диаграммы направленности). Принципы технологии FDD WCDMA во многом аналогичны CDMA-One. Одно из принципиальных отличий – сеть на базе FDD WCDMA может быть асинхронной (возможен и синхронный режим).

131
Для случаев, когда спектральный диапазон ограничен – нет воз- можности выделять частоты под парные каналы 5 МГц, – проработа- на версия WCDMA TDD с временным дуплексированием каналов.
При этом весь временной диапазон представляет последовательность равных канальных интервалов. В течение каждого из них в каждом из логических каналов (с кодовым разделением) происходит передача в одном направлении – от БС или от МТ. Таким образом, в определен- ные промежутки все каналы – либо восходящие, либо нисходящие.
Соотношение и последовательность восходящих/нисходящих каналь- ных интервалов может гибко изменяться в зависимости от интенсив- ности трафика в обе стороны. Это крайне важно для многих прило- жений с асимметричной передачей данных (например, доступ в Ин- тернет). По сравнению с FDD WCDMA сети с TDD должны быть синхронными, в остальном же их параметры практически совпадают.
Развитием метода WCDMA TDD стала система TD-SCDMA, со- зданная совместно компанией Siemens и китайской Академией теле- коммуникационных технологий
(China
Academy
of
Telecommunications Technology – СATT). Это стандарт физического уровня беспроводных сетей 3G, одобренный ITU и объединением стандартизирующих организаций 3GPP как часть пула стандартов
UMTS. TD-SCDMA (технология CDMA с одной несущей и времен- ным дуплексированием) ориентирована для работы в зонах с высоким дефицитом частотного ресурса – именно такова ситуация в КНР, свя- занная с высочайшей плотностью населения (в несколько раз выше, чем в густонаселенной Европе).
Сама технология доступа представляет собой комбинацию трех механизмов: временного разделения дуплексных каналов (TDD), вре- менного мультиплексирования каналов (TDMA) и кодового мульти- плексирования каналов (CDMA). Обмен происходит циклически по- вторяющимися кадрами (фреймами) длительностью 5 мс, разделен- ными на семь временных интервалов (таймслотов). Кроме того, в каждом тайм-слоте возможно формирование до 16 CDMA-каналов на основе 16 кодовых последовательностей. Так же предусмотрена воз- можность гибкого распределения тайм-слотов исходя из фактически

132 передаваемого трафика. Например, в асимметричных приложениях
(доступ в Интернет) для восходящего канала можно выделить один тайм-слот, для нисходящего – остальные шесть.
Ширина одной полосы TD-SCDMA 1,6 МГц. Скорость передачи модуляционных символов 1,28 Мчип/с. Это, вместе с переменным числом тайм-слотов во фрейме, назначенных одному соединению, позволяет добиваться скорости передачи данных в широчайшем диа- пазоне: от 1,2 кбит/с до 2 Мбит/с. Заявленная дальность передачи – 40 км, допустимая максимальная скорость движения мобильного або- нента – не менее 120 км/ч. Важнейшее достоинство TD-SCDMA – эффективное использование спектра. Не менее важно, что разработ- чики TD-SCDMA предусмотрели ее гибкую интеграцию с GSM- сетями, а также мягкий переход к WCDMA-сетям благодаря под- держке сигнализации и протоколов верхних уровней как GSM, так и
WCDMA. Более того, первые телефоны стандарта TD-SCDMA были двухмодовыми, на основе GSM-чипсета с дополнительной СБИС поддержки TD-SCDMA. WCDMA (UMTS) изначально разрабатыва- лась как замена сетей GSM с возможностью плавного перехода. По- этому ее сетевая инфраструктура совместима с MAP/GSM. Кроме то- го, она ориентирована на глобальные сети с пакетной коммутацией
(IP, Х.25). Операторы могут создавать «островки» WCDMA в особо густонаселенных районах, постепенно расширяя их. Поэтому все або- нентские терминалы для WCDMA в Европе будут поддерживать
GSM.
Значительный потенциал заложен так же и в стандарте IS-95.
Прямым его развитием стала спецификация IS-95b. Она позволяет объединять до восьми логических каналов. Теоретически достижимая скорость при этом 14,4 × 8 = 115,2 кбит/с. Реально работающие сети
IS-95b обеспечивают передачу до 64 кбит/с.
Следующий шаг развития IS-95 – проект CDMA-2000, который в итоге должен удовлетворять требованиям IMT-2000. Предусматри- валось три стадии развития CDMA-2000: 1X, ЗХ и CDMA-2000 DS
(прямая последовательность). Последний вариант технически анало- гичен WCDMA, и потому работы над ним были прекращены.

133
CDMA 1X (CDMA 1XRTT) позволяет увеличить число логиче- ских каналов до 128 в той же спектральной полосе 1,25 МГц. При этом реальная скорость может достигать 144 Мбит/с. Первая такая сеть была организована в Южной Корее (оператор – SK Telecom).
Спецификация CDMA ЗХ – вторая фаза проекта CDMA-2000.
Обозначение ЗХ указывает на утроение спектральной полосы канала
CDMA-One: 1,25 х 3 = 3,75 МГц. При этом в обратном канале проис- ходит передача методом прямой последовательности в полосе 3,75
Мгц. В прямом же канале данные передаются параллельно по трем стандартным IS-95 каналам шириной 1,25 МГц (технология с не- сколькими несущими). В результате скорость может превышать 2
Мбит/с.
Поскольку технология базируется на IS-95, БС в сетях CDMA-
2000 требуют синхронизации. Существенно, что вполне возможно дальнейшее масштабирование – 6Х, 9Х и т. д. с соответствующим ро- стом скорости передачи.
Сегодня лидерство во внедрении 3G уверенно захватили страны
Юго-Востока. 2003 год можно назвать первым годом эксплуатации
3G. В 2002 году японская корпорация NTT DoCoMo первой построи- ла коммерческую ЗG-сеть и начала активно оказывать услуги. Евро- пейские и американские же операторы с внедрением 3G-технологий испытывают проблемы. На лицензии потрачены огромные деньги, их надо возвращать. Поэтому операторы все чаще приходят к выводу о необходимости объединения своих ресурсов в проектах по разверты- ванию 3G-сетей.
Четвертое поколение мобильной связи (4G)
В марте 2008 года сектор радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ-Р) определил ряд требований для стандарта меж- дународной подвижной беспроводной широкополосной связи 4G, по- лучившего название спецификаций
International
Mobile
Telecommunications Advanced (IMT-Advanced), в частности установив требования к скорости передачи данных для обслуживания абонен- тов: скорость 100 Мбит/с должна предоставляться высокоподвижным

134 абонентам (например, поездам и автомобилям), а абонентам с не- большой подвижностью (например пешеходам и фиксированным абонентам)должна предоставляться скорость 1 Гбит/с.
Так как первые версии мобильного WiMAX (англ. Worldwide
Interoperability for Microwave Access – всемирная совместимость для микроволнового доступа) и LTE (англ. Long Term Evolution – долго- срочное развитие) поддерживают скорости значительно меньше 1
Гбит/с, их нельзя назвать технологиями, соответствующими IMT-
Advanced, хотя они часто упоминаются поставщиками услуг, как тех- нологии 4G. 6 декабря 2010 года МСЭ-Р признал, что наиболее про- двинутые технологии рассматривают как 4G.
Основной, базовой, технологией четвёртого поколения является технология ортогонального частотного уплотнения OFDM (англ.
Orthogonal Frequency-Division Multiplexing – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Кроме того, для максимальной скорости передачи используется технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами –
MIMO (англ. Multiple Input/Multiple Output – множество вхо- дов/множество выходов). При данной технологии передающие и при-
ёмные антенны разнесены так, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.
Таким образом, эволюцию стандартов мобильной связи можно представить в следующем виде:

135
Рис. 2.12. Эволюция стандартов мобильной связи
Сравнительные характеристики стандартов различных поколе- ний мобильной связи можно свести в следующую таблицу:
Таблица 11. Эволюция мобильной телефонии
1G
2G
3G

Аналоговая теле- фония

Мобильность

Базовые услуги

Несовместимость стандартов

Цифровая телефо- ния и передача сообще- ний

Мобильность и роуминг

Поддержка пере- дачи данных

Дополнительные услуги

Полуглобальное решение

Широкополосная передача данных и пере- дача речи по протоколу
IP (VoIP)

Мобильность и роуминг

Сервисная кон- цепция и модели

Глобальное реше- ние c 1980-х c 1990-х c 2000-х
Пятое поколение мобильной связи (5G)
В настоящее время ведутся предкоммерческие и коммерческие запуски сетей 5G. Подробнее о запусках сетей 5G в Рос- сии и мире можно ознакомиться по соответствующим ссылкам.

136
К сетям пятого поколения заявлены следующие требования (в сравнении с LTE):
- Рост в 10-100 раз скорости передачи данных в расчете на або- нента;
- Рост в 1000 раз среднего потребляемого трафика абонентом в месяц;
- Возможность обслуживания большего (в 100 раз) числа под- ключаемых к сети устройств;
- Многократное уменьшение потребление энергии абонентских устройств;
- Сокращение в 5 и более раз задержек в сети;
- Снижение общей стоимости эксплуатации сетей пятого поко- ления.
Шестое поколение мобильной связи (6G)
Исследовательский обзор ученых и экспертов раскрывает ряд интересных аспектов и научных взглядов на технологии, инновации и тенденции сетей будущего 6G. Сети беспроводной связи пятого поко- ления 5G развертываются во всем мире с 2020 года, и в настоящее время стандартизируются дополнительные возможности, такие как массовое подключение, сверхнадежность и гарантированно низкая задержка.
Однако 5G не будет отвечать всем требованиям будущего в
2030 году и в последующий период, и ожидается, что сети беспро- водной связи шестого поколения 6G обеспечат глобальное покрытие, улучшенную спектральную / энергетическую / экономическую эф- фективность, лучший уровень интеллекта и безопасности.
В соответствии с этими требованиями сети 6G будут опираться на новые обеспечивающие технологии, т. е. на радио-интерфейс и технологии передачи, а также на новую архитектуру сети, такую как проектирование формы сигнала, множественный доступ, схемы коди- рования каналов, технологии с множеством антенн, сечение сети, бес-

137 сотовая архитектура и облачные / туманные / пограничные вычисле- ния.
Подробный исследовательский обзор под названием «На пути к сетям беспроводной связи 6G: видение, технологии и парадигмы» был опубликован в журнале Science China Information Sciences. В со- авторстве с профессором Сяоху Ю и профессором Чэнсян Ван из
Юго-Восточного университета Китая. Обзор также включал 48 экс- пертов и ученых из научно-исследовательских институтов, колледжей и иностранных компаний.