Стандарты сотовой связи 1-го и 2-го поколений. Организация хэндовера

Стандарты сотовой связи 1-го и 2-го поколений. Организация хэндовера» МИНСК, 2008 Стандарты сотовой связи 1-го поколения. Первые системы двусторонней радиотелефонной связи между подвижными объектами поя¬вились более 50 лет назад. Связь осуществлялась на фиксированных частотах, а передавае¬мые сигналы занимали в эфире широкую полосу частот.С развитием техники традицион¬ной (конвенциональной) радиосвязи возникли проблемы, связанные с ограниченным час¬тотным ресурсом и низкой пропускной способностью таких систем.

Идея создания сотовых систем была основана на разбиении обслуживаемой территории на небольшие зоны (соты), в каждой из которых размещена, как правило, одна базовая станция. Такой принцип организации связи позволяет увеличить число абонентов и повы¬сить качество связи за счет повторного использования одних и тех же частот в различных сотах. Однако прошло много лет, прежде чем такие системы были реализованы на практике.Лишь в начале 80-х годов в ряде стран были развернуты коммерческие системы сотовой связи, использующие для передачи речи аналоговую частотную модуляцию.

Одной из пер¬вых начала предоставлять услуги система NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), созданная в 1981 г. рядом Скандинавских стран.Вскоре появились и другие системы, работающие в диапазоне частот 400-500 МГц. Это были системы стандарта С-450 (Германия), Radiocom-2000 (Франция), RTMS-101Н (Италия). Наиболее мощный толчок к разработке новых систем сотовой и транкинговой радио¬связи был дан, когда началось интенсивное освоение диапазона частот 800-900 МГц. С по¬явлением таких систем как AMPS (США), NMT-900 (Скандинавские страны), TACS и ETACS (Англия), HCMTS, J-TACS (Япония) началась эра систем подвижной сотовой связи (СПСС). Все перечисленные стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поко¬лению систем сотовой связи.

По своим характеристикам СПСС первого поколения выгодно отличались от исполь¬зуемых ранее систем двусторонней речевой связи.Благодаря сотовому принципу террито¬риально-частотного планирования удалось добиться лучшего качества связи при более вы¬сокой эффективности использования частотного спектра.

Стандарт NMT-450 особенно удобен при обеспечении связи на больших территориях с относительно малой плотностью населения. Этот стандарт до сих пор занимает прочную позицию на рынке подвижной связи.В России на долю NMT-450 приходится около 10% всех абонентов сотовых сетей, и он принят наряду с GSM в качестве федерального.

Первый опыт эксплуатации аналоговых систем позволил выявить также и ряд прису¬щих им недостатков: возможность прослушивания переговоров, наличие двойников, пере¬груженность частотного диапазона вследствие его неэффективного использования, ограни¬ченность зоны действия. Кроме того, распространение радиоволн в условиях интенсивных городских застроек связано с возникновением глубоких селективных замираний, вызванных многолучевым распространением радиоволн.Наличие замираний приводит к ухудшению отношения сигнал/шум на выходе ЧМ приемника на 10-20 дБ. Таким образом, с точки зрения качества передачи речи системы первого поколения не оправдали возлагавшихся на них ожиданий.

Начиная с середины 80-х годов, в мире начался интенсивный рост числа подвижных або¬нентов, который превзошел все самые смелые прогнозы.Стало ясно, что существующие ана¬логовые системы, базирующиеся на большом числе несовместимых друг с другом стандартов, не отвечают современным требованиям, и переход от действующих аналоговых сетей к циф¬ровым технологиям является неизбежным.

Число абонентов аналоговых сетей с каждым го¬дом стремительно уменьшается, а в некоторых странах наметился полный отказ от них. Стандарты 2-го поколения Первые проекты цифровых систем сотовой связи, которые сейчас принято относить ко вто¬рому поколению, появились в начале 90-х годов.Они отличаются от аналоговых систем двумя принципиальными отличиями [6]: а) возможностью использования спектрально-эффективных методов модуляции в сочетании с временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением каналов вместо тради¬ционно используемого в аналоговых системах частотного разделения каналов (FDMA); б) предоставлением пользователям широкого спектра услуг за счет интеграции переда¬чи речи и данных с возможностью шифрования (засекречивания) данных.

Переход на цифровые способы передачи и обработки информации позволил сущест¬венно сократить число стандартов.К 1995 г. в мире действовали цифровые системы трех стандартов - GSM, D-AMPS (IS-54, впоследствии IS-136) и РDС. Широкое распространение получил общеевропейский стандарт GSM, который был соз¬дан по инициативе специальной группы подвижной связи Group Special Mobile, GSM (позднее была предложена другая расшифровка названия стандарта GSM - Global System for Mobile Communications), ор¬ганизованной в рамках ETSI. Первая коммерческая сеть, работающая в стандарте GSM, бы¬ла развернута в 1992 г. в Германии.

С тех пор стандарт непрерывно развивается и совер¬шенствуется. Он уже адаптирован для работы в частотном диапазоне 1800 МГц (GSM-1800) и 450 МГц (GSM-400) в Европе и 1900 МГц (PCS) в США. Начало разработки цифровых технологий в США положил стандарт IS-54, который раз¬рабатывался с целью повышения емкости действующих в США аналоговых систем AMPS, и был одобрен в 1989 г. подкомитетом TR45.3 TIA. В системе TDMA(D-AMPS,IS-136) заложены современные технические решения, позволившие реализовать 3 речевых канала в одномчастотном канале системы AMPS (ширина канала 30 кГц). Первые системы на базе этого стандарта были введены в эксплуатацию в 1992 г. В США стандарт TDMA является базо¬вым — им пользуются более 40% абонентов.

Распространение технологии TDMA не ограни¬чивается Северной Америкой.

В развитии цифровой сотовой связи от Европы и США не отставала и Япония, разрабо¬тавшая собственный стандарт PDC (Personal Digital Cellular)3 - персональная цифровая сис¬тема сотовой связи.Японский стандарт подвижной связи был утвержден в 1994 г. Сети на базе РDС развертываются в основном для национального использования и не оказывают существенного влияния на мировой рынок.

В Японии сеть РDС обеспечивает покрытие практически всей территории, на которой проживает около 99% ее населения. Эксплуатация первой коммерческой сотовой системы подвижной связи на базе техно¬логии CDMA была начата в сентябре 1995 г. в Гонконге.До этого момента стандарт IS-95 получил одобрение ITU и вошел в состав Рекомендации М.1073 1TU-R. Число сотовых се¬тей, построенных на базе CDMA (IS-95) и предоставляющих услуги как фиксированной, так и подвижной связи, неуклонно растет.

Система CDMA применяется в основном в тех слу¬чаях, когда требуется построить сеть повышенной емкости или с более высоким качеством передачи речи. Следующий важный шаг в развитии сотовых систем после введения цифровых техноло¬гий - переход к микросотовой и пикосотовой структуре сетей.Использование таких сетей позволяет обслуживать абонентов в городских районах с интенсивной застройкой и закры¬тых зонах (офисы, подземные гаражи и др.). Принципы построения микросотовых систем отличаются от макросотовых систем.

В них отсутствует частотное планирования, не обес¬печивается хэндовер, не осуществляется измерение уровня сигнала.В 1992 г. был утвер¬жден европейский стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications) реали¬зующий технологию радиодоступа с малой мощностью излучения (10-25 мВт) и обеспечи¬вающий очень высокую плотность расположения абонентских устройств.

Широкое внедре¬ние технологии началось с 1995 г когда было продано около 2 млн. терминалов.Исторически так сложилось, что профессиональные системы радиосвязи (в последние годы они чаще называются транкинговыми) начали создаваться задолго до появления сото¬вых. К профессиональным системам, как известно, относятся различные ведомственные и корпоративные радиосети для скорой помощи, служб охраны порядка и др. Развитие таких сетей идет в направлении улучшения качества и конфиденциальности связи.

Многие виды современных услуг не могли в полной мере предоставить системы первого поколения (SmartTrunk II, LTR, Multi-Net, Accessnet, Smartnet, EDACS, MPT 1327). Отличительная особенность транкинговых систем - возможность эффективного ис¬пользования полосы частот за счет организации свободного доступа к общему частотному ресурсу ретрансляционного пункта, содержащего обычно несколько ретрансляторов, свя¬занных друг с другом с помощью общей шины управления.

Гибкая архитектура транкинго¬вых систем позволяет передавать как индивидуальные вызовы, так и вызовы абонентов не¬скольких групп или сразу всех абонентов сети. Работа станции на излучение в таких систе¬мах обычно осуществляется не непрерывно, а лишь по нажатию тангенты радиотелефона, что уменьшает перегруженность эфира. Однако существующие сети профессиональной связи первого поколения не гарантиру¬ют высокой конфиденциальности и надежной защиты от несанкционированного доступа, и, что особенно существенно, не обеспечивают аутентификацию абонентов и идентификацию абонентского оборудования.

Эти задачи намечено решить при создании цифровых сис¬тем профессиональной связи второго поколения (АРСО, ТЕТRА), которые призваны заме¬нить огромное число несовместимых друг с другом аналоговых стандартов. Стандарт на цифровую систему транкинговой связи АРСО 25 разработан в США. Его реализацию намечено осуществить в два этапа с целью плавного перехода от существую¬щих аналоговых сетей к цифровым.

С технической точки зрения переход ко второму этапу связан со снижением в 2 раза шага сетки частот (до 6,25 кГц) и использованием спектраль¬но эффективной модуляции CQPSK. Под влиянием впечатляющих успехов стандарта сотовой связи GSM в ETSI был разра¬ботан общеевропейский стандарт цифровой транкинговой системы радиосвязи ТЕТRА (TransEuropean Trunked Radio). В ТЕТRА заложены универсальные технические решения, которые позволяет с минимальными затратами реализовывать систему в разных диапазонах частот и с отличающимися протоколами связи.

Наряду с экономией частотного ресурса сис¬тема ТЕТRА обеспечивает большие возможности в части наращивания технических воз¬можностей, предусматривая в перспективе предоставление услуг 3-го поколения и реализа¬цию разных сценариев внедрения. Системы подвижной спутниковой связи появились около 30 лет назад, когда на орбиту был выведен геостационарный космический аппарат (КА) Marisat.Первоначально мобиль¬ные земные станции (ЗС) разрабатывались как системы специального назначения (морские, воздушные, автомобильные, железнодорожные) и были ориентированы на ограниченное число пользователей.

Надежность связи была невысокой, что связано с низкой энерговоо¬руженностью подвижных объектов и проблемами обеспечения устойчивости связи при сложном рельефе местности и малых рабочих углах места.Земные станции первого поко¬ления (стандарт Inmarsat-A) предназначались в основном для создания ведомственных и корпоративных сетей с радиальной (или радиально-узловой) структурой с большими цен¬тральными станциями.

Революционные преобразования в области мобильной спутниковой связи произошли в начале 90-х и были обусловлены тремя факторами: коммерциализацией космических про¬грамм, использованием низкоорбитальных и средневысотных КА и повсеместным перехо¬дом на цифровую связь с использованием цифровых сигнальных процессоров (DSP). Про¬цесс конверсии сопровождался заимствованием и переносом передовых военных техноло¬гий в коммерческие программы.

В результате были реализованы несколько проектов гло¬бальных систем спутниковой связи с КА на низких орбитах (Indium, Globalstar), средневы¬сотных (ICO), а также две региональные системы (AceS и Thuraya). Глобальная система персональной спутниковой связи Iridium была введена в эксплуатацию в конце 1998 г. Проработав около полутора лет, она прекратила свое существование.Деталь¬ный анализ случившегося еще предстоит, однако уже сейчас ясно, что великолепно задуманный и реализованный технический проект оказался не востребованным массовым рынком. Главные причины — низкий спрос на услуги голосовой связи и просчеты в маркетинговой политике.

На этапе формирования концепции системы (1987 г.), идея портативных спутниковых телефонов и пейджеров выглядела привлекательной и вполне конкурентоспособной.Однорежимные (спутниковые) и двухрежимные (спутниковые/сотовые) абонентские терминалы должны были обеспечить гибкую стратегию предоставления услуг и развертывания систе¬мы Iridium.

Однако разработчики проекта Iridium не учли те серьезные изменения, которые про¬изошли в мире за последние годы. Они прежде всего связаны с успехами наземной связи. Новые модификации сотовых телефонов легче и удобнее, а тарифы более привлекательные, чем в спутниковой связи. Кроме того, время работы без подзарядки аккумуляторных бата¬рей в спутниковой связи меньше, а возможности работы из зданий ограничены.Что же ка¬сается обслуживания труднодоступных районов и океанов, в которых спутниковая связь не имеет себе альтернативы, то оказалось, что желающих общаться по объявленным тарифам не так уж и много, чтобы окупить эксплуатационные затраты.

В 2000 году начается эксплуатация трех систем: глобальной системы персо¬нальной спутниковой связи Globalstar и региональных систем ACeS и Thuraya, ориентиро¬ванных не только на голосовую связь, но и передачу данных.В 2001 г. введена в эксплуатацию система ICO. Дальнейшее развитие систем подвижной спутниковой связи будет осуществляться в рамках реализации проектов систем 3-го поколения.

Классификация систем 2-го поколения В основу предлагаемой классификации систем подвижной радиотелефонной связи 2-го поко¬ления положены три основных признака: назначение системы, метод многостанционного дос¬тупа и схема дуплексирования каналов.В зависимости от назначения и размеров зоны обслуживания все системы подвижной связи могут быть разделены на 4 класса (рис.1): - спутниковые системы связи с зоной обслуживания в одном луче 400-800 км и гло¬бальной зоной обслуживания для одного спутника 3000-8000 км в зависимости от вы¬соты орбиты; - системы сотовой подвижной радиосвязи с радиусом действия от 0,3 до 35 км; - транкингозые (профессинальные) системы радиосвязи с радиусом зоны обслужива¬ния от 2 до 50 км в зависимости от высоты подъема антенны; - системы беспроводного доступа с типовыми размерами соты до 0,3 км. Различия между системами разных классов, прежде всего, состоят в составе и качестве предоставляемых услуг.

Наиболее высокое качество обеспечивают сотовые сети и системы беспроводного доступа, предоставляющие услуги двусторонней радиосвязи в интересах как мобильных, так и стационарных абонентов (телефонные сети общего пользования, ISDN и др.). Аналогичные услуги, но с меньшими возможностями, реализованы в спутниковых сис¬темах.

Что же касается транкинговых систем, то в них основным видом обслуживания явля¬ется полудуплексная связь и групповой вызов абонентов.

Рис.1. Классификация систем подвижной связи второго поколения Размеры соты зависят от плотности абонентов, приходящейся на единицу зоны покры¬тия, и характера распределения абонентов по обслуживаемой территории.В местах с по¬вышенной плотностью абонентов создаются пикосоты с радиусом до 100 м, а в районах наиболее интенсивной застройки и с высокой плотностью населения организуются микро¬соты (0,1-0,5 км). Радиус действия макросотовых зон, которые охватывают город и приго¬родные зоны, не превышает 30-35 км. Что же касается обслуживания абонентов в сельской местности, удаленных и труднодоступных районах, то оно может осуществляться как с ис¬пользованием наземных сотовых, так и спутниковых систем.

Сотовые сети и системы беспроводного доступа могут обслуживать районы с большой плотностью абонентов до 10000 Эрланг на квадратный километр.Транкинговые сети более эффективны, когда объем трафика не превышает 1-2 Эрл/кв. км. Для повышения спектраль¬ной эффективности в сотовых системах используется широкополосная ТDМА или CDMA, в то время как в транкинговых сетях в основном применяются узкополосная TDMA или FDMA. Другое различие заключается в схеме организации связи.

В сотовых системах и систе¬мах беспроводного доступа осуществляются индивидуальные вызовы между абонентами. Средняя длительность разговора может достигать несколько минут.Типовой режим работы транкинговых систем основан на передаче коротких вызовов (менее 1 мин), которые могут организовываться как индивидуально, так и через диспетчера.

Время установления связи в транкинговых системах небольшое и, как правило, не превышает 0,3 с. По способу использования частотного ресурса системы подвижной связи разделяются на два класса: - системы связи с жестко закрепленными за абонентами каналами; - системы с предоставлением канала по требованию при нахождении абонентов в об¬щей зоне обслуживания. В системах с фиксированным закреплением каналов обеспечивается высокая оператив¬ность связи.

Принцип фиксированного закрепления каналов получил широкое распростра¬нение в системах конвенциональной радиосвязи и ряде транкинговых систем. Транкинго¬вые системы второго поколения относятся к системам со свободным доступом.Они позво¬ляют работать на любом канале в пределах выбранной группы частот, причем конкретный канал закрепляется за выделенным ресурсом. В сотовых сетях и системах беспроводного доступа обеспечивается предоставление канала по требованию при нахождении абонентов в одной зоне обслуживания Использование в системах 2-го поколения новых системных и технических решений позволило улучшить отношение сигнал/шум (Eb/No). Если в аналоговых системах 1-го по¬коления, отношение Eb/No было равно 17-18 дБ, то в системах 2-го поколения этот показа¬тель уже равен 7-9 дБ Системы подвижной связи второго поколения имеют ограниченные возможности по наращиванию пропускной способности и видов услуг в рамках выделенного частотного диапазона.

Рост их емкости возможен лишь за счет перехода на полускоростные каналы (GSM), использования более эффективных методов модуляции и применения секторных ан¬тенн. Секторизация сот в сочетании с использованием спектрально-эффективных методов модуляции позволяет увеличить их пропускную способность, но не более чем в 10 раз. Организация хэндовера В системах подвижной сотовой и спутниковой связи важную роль играет метод автомати¬ческого переключения вызова на другой канал в момент, когда мобильная станция7 перемешается из соты в соту или переключается с одного спутника на другой.

Такой метод по¬лучил название хэндовер (от английского handover). При переключении на соседнюю базо¬вую станцию (в наземных системах) или другой луч бортовой антенны (в спутниковых се¬тях) обычно происходит смена частоты несущей.

Существуют два основных типа хэндовера: жесткий и мягкий.Жесткий алгоритм пере¬ключения каналов сопровождается кратковременным прерыванием связи в момент переме¬щения абонента из соты в соту. Такой метод автоматического переключения канала осуще¬ствляется в большинстве систем 2-го поколения, использующих метод TDMA (GSM, IS-136, РDС). Обрыв и восстановление связи воспринимается абонентом как «щелчок» в теле¬фонной трубке, хотя возможно и более длительное прерывание разговора, когда связь с од¬ной базовой станцией прекратилась, а с другой еще не установлена.

Мягкий хэндовер происходит без потери качества связи.Он осуществляется между раз¬личными секторами антенны базовой станции в пределах соты (работа на одной несущей частоте). В настоящее время он реализован в таких системах, как CDMA (IS-95) и Globalstar.

Управление процедурой хэндовера может быть организовано несколькими способами.В пределах одной соты может быть использовано макроразнесение, когда мобильная стан¬ция в процессе переключения связана одновременно с несколькими базовыми станциями (мягкий режим переключения). В случае межчастотного хэндовера, т.е. с изменением несущей при переходе мобильной станции от одной соты к другой, непрерывность связи обеспечивается с использованием дополнительного приемопередатчика, либо за счет временного разделения, когда кадр раз¬деляется на две части, а информация сжимается в два раза. В случае, если произошел сбой при организации мягкого хэндовера, то реализуется обычный алгоритм жесткого хэндовера, который аналогичен тому, который используется в ТDМА системах.

Принципы построения микросотовых систем беспроводного доступа отличаются от макросотовых тем, что в них частота переключений при хэндовере должна быть существен¬но выше, чем в сотовых системах. Следовательно, необходимы быстродействующие алго¬ритмы переключения каналов.

Наиболее эффективно эта задача решена в сети беспроводно¬го доступа DECT, где применяются распределенные алгоритмы управления, обеспечиваю¬щие принудительное переключение абонента. Таким образом, проведенный анализ показал, что существующие системы 2-го поколе¬ния несовместимы друг с другом.В каждом из трех крупных регионов мира - Северной Америке, Европе и Азии использовались различные технологии и пути перехода от анало¬говых систем первого поколения ко второму поколению.

Более того, даже внутри каждого из регионов отдельные страны реализуют различные подходы к созданию и внедрению сис¬тем подвижной связи.Тем не менее, основная задача, которая стояла перед цифровыми системами второго поколения - массовое обеспечение услуг речевой связи и низкоскоростной передачи дан¬ных - была достигнута. ЛИТЕРАТУРА 1. Карташевский В.Г Семенов С.Н Фирстова Т.В. Сети подвижной связи М.:Эко-Трендз,2001,300с. 2. Веселовский К. Системы подвижной радиосвязи / Пер. с польск.

И.Д.Рудинского; под ред. А.И.Ледовского.—М.: Горячая линия –Телеком, 2006. –536с. 3. Бабков В.Ю Вознюк М.А Михайлов П.А. Сети мобильной связи. Частотно-территориальное планирование./ СПбГУТ. СПб 2000. 196с. 4. Громаков Ю.А.Стандарты и системы подвижной радиосвязи М.:Эко-Трендз,2007,238c.