Системы подвижной связи третьего поколения

Сеть RLAN-1 обеспечивает два основных типа услуг
Проект Magic WAND

Для некоторых уважаемых читателей важно, а для многих других - просто интересно понять суть и место систем подвижной связи третьего поколения среди множества подобных систем, уже давно действующих или недавно введенных в эксплуатацию. Раскрыть же эти вопросы в одной маленькой статье сложно. Поэтому данная статья является обзорной - взывающей к подробному рассмотрению предмета. Итак...

Сотовые системы подвижной связи (СПС) первого поколения, базирующиеся на аналоговой технологии, появились в ряде европейских стран в начале 1980-х гг. Это были национальные системы с невысокой пропускной способностью, предлагавшие, кроме обычной телефонной связи, лишь несколько дополнительных услуг. Примерами таких систем являются NMT (Nordic Mobile Telecommunications), работающие на частотах 450 и 900 МГц, TACS (Total Access Cellular Systems) и C-Netz (Германия). Этот перечень можно расширить значительным числом беспроводных, пейджинговых и частных СПС первого поколения, созданных в странах Европы и Америки. Небольшая выборка из множества подобных систем приведена на рисунке 1.

В 90-х гг. европейские страны ввели в эксплуатацию СПС второго поколения, основанные на цифровой технологии и имеющие большую пропускную способность и расширенный набор услуг, в том числе ряд услуг передачи сообщений и данных. К СПС второго поколения относятся системы GSM (Global System for Mobile Communications) [1], DCS1800 (Digital Communication System in the 1800 MHz Band), DECT (Digital European Cordless Telecommunications), ERMES (European Radio MEssage System), TETRA (Trans-European Trunked RAdio). Подобные системы могут обеспечить услугами телефонной, пейджинговой, выделенной частной связи до нескольких десятков миллионов абонентов. Развитый роуминг позволяет абоненту СПС второго поколения использовать для осуществления связи в различных сетях свое терминальное оборудование.

Таким образом, телекоммуникационые услуги беспроводной (wireless) связи в настоящее время предлагают СПС первого или второго поколения. Ожидается, что в начале следующего века системы второго поколения перестанут справляться с массовым ростом спроса на услуги подвижной связи. Потребуется значительно большая пропускная способность, которая может быть достигнута за счет перехода к сотам меньшего радиуса и использования более высоких несущих частот с широкой полосой пропускания. СПС следующего поколения должны быть интегрированы с перспективными фиксированными (наземными) сетями, особенно с широкополосными цифровыми сетями с интеграцией служб (Ш-ЦСИС). Это предполагает использование в СПС, разработанных для фиксированных сетей транспортных технологий, сетевой инфраструктуры и протоколов, наряду с интеграцией разнообразных приложений и услуг.

Европейскую универсальную систему мобильной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) называют не иначе, как СПС третьего поколения. Целью создания системы UMTS провозглашена интеграция услуг подвижной связи; к сожалению, UMTS не поддерживает всего спектра широкополосных соединений. Цель создания беспроводной модели асинхронного режима передачи (WATM, Wireless АТМ) по проекту WAND (Wireless АТМ Network Demonstrator) противоположна предыдущей и состоит в интеграции широкополосных сетей фиксированной и подвижной связи (см. рисунок 1).

Как известно, радиочастоты, используемые для связи, представляют собой ограниченный природный ресурс, и большинство из них уже занято. Использование частот контролируется разными организациями. Всемирная административная радиоконференция (WARC) осуществляет международное распределение радиополос, а Европейская конференция администраций связи (CEPT) - на нашем континенте. Значительная полоса радиочастот, вернее - две полосы общей шириной 230 МГц с размещением около несущей частоты 2 ГГц, зарезервирована WARC"92 для использования UMTS и системой международной подвижной связи IMT-2000 (стандартизированной ITU-T), известной ранее как FPLMTS.

На высоких несущих частотах доступны более широкие полосы пропускания для организации радиосвязи. В Европе CEPT зарезервировала полосы на частотах 40 и 60 ГГц для широкополосной СПС, называемой MBS (Mobile Broadband System). Эти полосы, в совокупности достигающие внушительных 4 ГГц, могут предоставить значительно большую пропускную способность, по сравнению с возможной на более низких несущих частотах. Конференция WARC зарезервировала две полосы для локальных радиосетей; в Европе эти полосы, размещенные на частотах 5 и 17 ГГц, предназначены для создания высокопроизводительной локальной сети HIPERLAN (High Perfomance Radio Local Area Network).

Полоса пропускания для системы WAND может располагаться, например, между частотами 5,30 и 5,70 ГГц. Если частоты HIPERLAN станут доступны WAND, то эта полоса частот будет начинаться от 5,15 ГГц.

Рисунок 2 иллюстрирует поддерживаемые скорости передачи и уровни подвижности абонентов некоторых СПС второго и третьего поколения. Видно, что эти характеристики близки для системы WAND и HIPERLAN.

Универсальная система подвижной связи UMTS

Разработка системы UMTS может рассматриваться как часть стратегии обеспечения европейского континента услугами развитой "прозрачной" интегрированной персональной связи. Внедрение UMTS должно удовлетворить потребности самых разных абонентов, от тех, кто нуждается в простых и дешевых терминалах для речевой связи, до пользователей услуг мультимедиа в реальном масштабе времени.

Похоже, что к тому времени, когда системы WAND будут представлены миру пилотными реализациями, UMTS станет общедоступной. Эти две системы направлены на удовлетворение различных потребностей пользователей и не конкурируют друг с другом.

Система UMTS предлагает широкий набор услуг, в значительной степени, однако, оптимизированный для передачи речи. Ее разработка осуществлялась, главным образом, в соответствии с исследовательской программой RACE (Research and Technology Development in Advanced Communications in Europe), финансировавшейся Комиссией ЕС.

Концепция UMTS была впервые провозглашена в проекте подвижной связи (R1043) программы RACE I и получила дальнейшее развитие в проектах программы RACE II. Пожалуй, наиболее важным из них для разработки системы UMTS был проект MONET (Mobile NETworks, R2066). В настоящее время ведется работа над проектами новой исследовательской программы ACTS (Advanced Communication Technologies and Services), которая развивает идеи RACE.

Стандартизация UMTS осуществляется ETSI. Сектор стандартизации связи Международного союза электросвязи (ITU-T) в настоящее время осуществляет мероприятия по стандартизации аналогичной IMT-2000. Смогут ли ETSI и ITU-T обеспечить слияние UMTS и IMT-2000, покажет будущее.

СПС UMTS предназначена для реализации приложений, требующих скоростей до 2 Мбит/с. Услуги UMTS должны быть доступны абоненту независимо от его расположения; в случае отсутствия сотовой радиосети связь должна быть обеспечена посредством низкоорбитальных спутниковых систем (LEO) [2]. Тем не менее, не все терминалы системы UMTS будут способны использовать услуги спутниковой связи.

Предоставление услуг большому количеству различных пользователей потребует от UMTS широкого диапазона поддерживаемых сред и терминального абонентского оборудования. UMTS должна одинаково успешно использоваться на работе, дома и в транспортном средстве, в закрытом помещении и на открытом воздухе, в центре большого города и на удаленной малонаселенной территории.

Для UMTS выделены две полосы частот: 1885-2025 МГц и 2110-2200 МГц. Относительно большая полоса частот и широкое использование сот малого радиуса (пикосот), иногда не превышающих десятка метров, обеспечивает UMTS более высокую пропускную способность по сравнению с СПС второго поколения. Непрерывность зоны обслуживания системы UMTS достигается за счет использования макросот радиусом до нескольких десятков километров и LEO.

Ширина полос радиоинтерфейсов распределяется в UMTS динамически, согласно потребностям терминального оборудования. В соответствии с программой RACE разработаны интерфейсы, основанные на множественном доступе с кодовым (CDMA) и временным (TDMA) разделением. Вопрос об использовании того или другого метода доступа (или обоих) пока остается открытым.

Четыре основных компонента СПС UMTS показаны на рисунке 3. Подвижный терминал UMTS предоставляет абоненту возможность соединения с сетью доступа и использования услуг системы UMTS. Основными функциями сети доступа UMTS являются функции, относящиеся к радиоканалу, например хендовер и управление соединением. К функциям базовой сети относятся коммутация и транспортировка данных. Функции, связанные с подвижностью терминала, реализуются интеллектуальной сетью связи [3]. Типичными услугами ИСС для UMTS служат определение местонахождения, аутентификация и др.

Высокопроизводительная локальная сеть HIPERLAN

HIPERLAN (далее для краткости называемая RLAN) - это широкополосная система радиосвязи, предоставляющая, главным образом, услуги локальной сети и обычно находящаяся в собственности пользователя услуг. Полоса частот, зарезервированная для сети RLAN, при некоторых условиях могла бы использоваться системой WAND, причем успехи в реализации сети RLAN могут оказать сильное воздействие на разработку системы WAND.

Процесс разработки сети RLAN состоит из трех этапов (RLAN-1, -2 и -3). Сети RLAN-1 и RLAN-2, функционирующие на несущей частоте 5 ГГц, должны стать полноценной заменой обычным локальным сетям. RLAN-2 ориентируется на использование асинхронного режима передачи (АТМ). RLAN-3 будет функционировать на частоте 17 гигагерц.

Стандарты для RLAN-1 готовятся техническим комитетом RES10 ETSI и должны быть завершены в течение 1996 года, после чего коммерческие реализации RLAN-1 не заставят себя ждать.

Несмотря на то что сегодня процесс стандартизации RLAN-2 находится в ранней стадии, фирмы-разработчики локальных радиосетей ведут бескомпромиссную борьбу за утверждение своих продуктов в качестве стандарта. Одна из наиболее интересных реализаций - обсуждаемая ниже система WAND, разрабатываемая по проекту Magic WAND программы ACTS. Однако вероятнее всего, в качестве стандарта RLAN-2 не будет выбрана какая-то конкретная система; для этого существуют различные технические и политические причины.

В настоящее время термин RLAN-2 используется для обозначения любой широкополосной ATM-совместимой локальной радиосети, использующей выделенные HIPERLAN частоты. Судьба RLAN-2 существенно зависит от развития сети RLAN-1. Видимо, в случае ее значительного коммерческого успеха все частоты, зарезервированные для HIPERLAN, будут закреплены за RLAN-1. С другой стороны, успех RLAN-1 может заставить конференцию WARC передать HIPERLAN и другие частоты. В случае неуспеха проект RLAN-2 наверняка лишится некоторых частот.

Сеть RLAN-1 обеспечивает два основных типа услуг:

• беспроводную локальную связь,
• специальные услуги.

Специальные услуги позволяют подвижным терминалам связываться между собой без использования базовых станций или какой-либо другой фиксированной инфраструктуры. Подобные услуги представляют особую ценность при установлении временных соединений или в случаях, когда невозможно установить фиксированное оборудование. RLAN-1 лучше всего подходит для использования внутри зданий.

Спецификация RLAN-1 состоит из первых двух уровней модели взаимодействия открытых систем. Система ориентирована на две полосы частот: 5,15-5,30 и 17,1-17,3 ГГц. Услуги по передаче данных предоставляются на скоростях до 20 Мбит/с при асинхронной передаче и 2 Мбит/с при синхронной.

Сеть RLAN-1, так же как и Ethernet, использует протокол множественного доступа с проверкой несущей частоты и обнаружением конфликтов (CSMA/CD). В соответствии с ним термнал может начать передачу своего сообщения, убедившись в том, что широковещательный канал свободен. После начала передачи терминал продолжает прослушивать канал с целью обнаружения возможного конфликта своего сообщения с сообщением какого-либо другого терминала, начавшего передачу одновременно с первым. В случае конфликта терминал инициирует процедуру разрешения конфликта. Как известно, протокол CSMA/CD, обеспечивая высокую эффективность функционирования сети при увеличении длины сообщений, в общем случае не гарантирует удовлетворения заданных параметров качества обслуживания.

Услуги RLAN-2, предположительно, будут аналогичны тем, которые предлагают фиксированные локальные сети, построенные по технологии АТМ. Пока можно лишь предполагать, какие технологические решения будут использованы при создании RLAN-2.

Проект Magic WAND

Целями данного проекта исследовательской программы ACTS, работа над которым началась в конце 1995 г. и рассчитана на три года, являются:

• исследование возможных вариантов приемо-передающего оборудования и аппаратно-программных комплексов для беспроводной сети АТМ в частотном диапазоне 17 ГГц, в том числе - на базе спецификаций системы WATM,
• создание модели беспроводной сети АТМ (ATM-демонстратора), являющейся несколько упрощенной версией изучаемой системы.

В проекте специально подчеркивается, что реализация демонстратора должна быть максимально приближена к будущей фактической системе WATM.

Исполнителями WAND являются фирмы Nokia Mobile Phones, Ascom Tech AG, AT&T GIS, BOSCH, IBM, INTRACOM, а также пять университетов и научно-исследовательских институтов. Проект - третий по объемам финансирования в программе ACTS (1630 человеко-месяцев).

В соответствии с проектом WAND пользователям обеспечивается "прозрачный" беспроводный доступ к фиксированной ATM-сети. Предположительно, WATM будет устанавливаться на условиях заказчика и вначале эксплуатироваться лишь как дополнение к офисным сетям ATM. Таким образом, WATM, точно так же, как и фиксированная сеть ATM, должна поддерживать требуемые параметры качества обслуживания.

На рисунке 4 показана архитектура демонстратора. Базовые станции WAND, называемые пунктами доступа, выполнены на основе персональных компьютеров и соединены с ATM коммутатором. Коммутатор управляется рабочей станцией, реализующей специфические функции СПС. В качестве подвижных терминалов на первом этапе выступают обычные портативные компьютеры с соответствующим программным обеспечением. Скорость канала передачи составляет приблизительно 20 Мбит/с, при этом используется протокол доступа TDMA/TDD.

Широкополосная система подвижной связи MBS

Концепция широкополосной системы подвижной связи была разработана в проекте MBS программы RACE. В соответствии с проектом реализована действующая (с июля 1995 г.) модель системы, размещенная в г. Ульм, Германия. Несмотря на то что радиоинтерфейс модели не является коммерчески эффективным, практически доказана возможность передачи информации на скорости, достигающей десятков мегабит в секунду, от подвижного терминала к базовой станции.

Высокая стоимость технологических решений, применимых в диапазоне 60 ГГц, и большое количество требуемых базовых станций поднимают стоимость внедрения MBS; реализация коммерческой системы MBS вряд ли будет экономически выгодной в ближайшем будущем. Этот факт является наиболее вероятной причиной того, почему ни один из текущих проектов программы ACTS по-настоящему не развивает проекта MBS программы RACE. Тем не менее ряд проектов ACTS нацелен на разработку более реалистичного решения, которое обеспечит растущие запросы по созданию беспроводной широкополосной связи. Пожалуй, проект MEDIAN, использующий диапазон 60 гигагерц, может рассматриваться в качестве преемника проекта MBS. Отметим также проект ACTS SAMBA (System for Advanced Mobile Broadband Applications), ориентированный на скорость передачи 34 Мбит/с и на применение не только внутри (как MEDIAN), но и вне зданий.

Независимо от дальнейшей судьбы проекта MBS, при его разработке было получено много ценных решений в области беспроводных широкополосных систем, включая модели распространения для высоких частот внутри зданий, спецификации требований к фиксированной Ш-ЦСИС со стороны MBS, спецификации новых приложений СПС и радиокомпонентов, используемых в диапазоне 60 ГГц.

Система MBS должна поддерживать практически все стандартизованные службы Ш-ЦСИС, требующие скоростей передачи до 155 Мбит/с и находящиеся далеко за пределами UMTS. Как уже отмечалось, высокие скорости передачи становятся возможными благодаря двум зарезервированным полосам частот суммарной шириной 4 ГГц. Предоставление услуг MBS вряд ли может быть географически повсеместным, но, вероятно, будет состоять из множества "островов". Ограничения связаны с физическими свойствами распространения радиоволн на несущей частоте в 60 ГГц, которые ограничивают возможные размеры сот и, соответственно, затрудняют расширение обслуживаемой области.

Сетевая структура MBS отличается от подобной в UMTS. Базовая станция MBS состоит из фиксированного широкополосного терминального модуля (FBTU) и фиксированного широкополосного терминального модуля управления (FBTCU). Последний соединен с фиксированной Ш-ЦСИС. Поскольку ожидается, что количество FBTU в сети MBS будет большим, для достижения приемлемой стоимости системы эти модули должны быть максимально упрощены. Фактически они должны реализовывать лишь функции поддержки соответствующих радиочастот. Все функции управления, включая уровень доступа к среде, размещены в модуле FBTCU - одном на большое число модулей FBTU. Структура сети МБ представлена на рисунке 5. Здесь MBT - терминальное оборудование MBS.

Интеграция UMTS с Ш-ЦСИС

Предполагается, что Ш-ЦСИС будет базовой сетью UMTS. Большинство разнообразных сценариев интеграции UMTS и Ш-ЦСИС, предлагаемых проектами по UMTS, ориентировано на взаимодействие двух сетей, а не на действительную интеграцию. Вообще, фиксированный терминал Ш-ЦСИС, поддерживающий связь с подвижным терминалом UMTS, не должен знать что-либо о подвижности этого терминала. Цель разработки UMTS, в частности, состояла в том, чтобы минимизировать влияние специфических функций мобильности на базовую сеть. Для этого указанные функции должны быть размещены в сети доступа (абонентской сети) и, по возможности, в интеллектуальной сети связи. Для соединения сети UMTS с Ш-ЦСИС используется интерфейс пользователь-сеть (UNI) ATM. Подвижный абонент при обращении к ресурсам базовой сети может использовать специфическую для UMTS сигнализацию, "транслируемую" затем в сигнальные сообщения соответствующим образом модифицированного протокола Q.2931+. По другому варианту сигнализация Q.2931+ могла бы использоваться полностью вплоть до подвижного терминала.

HIPERLAN

Как уже указывалось, сеть RLAN-1 разрабатывалась для замены существующих локальных сетей, и ее совместимость с Ш-ЦСИС не рассматривалась в качестве важной задачи.

Сеть RLAN-2 должна обеспечить отделение запроса на услугу от ее предоставления. Кроме того, должна возрасти пропускная способность канала RLAN-2 относительно стандартной ячейки ATM. Так, длина ячейки ATM (53 байта) эквивалентна радиоячейке в 64 байта при введении дополнительной процедуры исправления ошибок.

Процесс стандартизации RLAN-2 еще не начат, так что вопрос интеграции с Ш-ЦСИС остается открытым.

WAND

Проект WAND ставит целью предложить "прозрачное" ATM-соединение через свой радиоинтерфейс при обеспечении требуемых параметров качества обслуживания. Таким образом, должны быть реализованы все классы обслуживания ATM: CBR, rt-VBR, nrt-VBR, ABR, UBR. Поддержка широкополосных приложений при заданных ограничениях на скорость передачи требует использования эффективных процедур управления ресурсами радиоканалов. Поскольку, все-таки, большая часть широкополосных приложений WAND относится к классам nrt-VBR, ABR, UBR и трафик будет в значительной мере неоднородным (bursty), его статистическое мультиплексирование при динамическом распределении ширины полосы радиоканала позволит успешно разрешить поставленную выше задачу.

MBS

MBS предоставляет "прозрачное" соединение с Ш-ЦСИС, то есть терминал Ш-ЦСИС не способен определить, проходит ли часть соединения через MBS или нет. Однако стоит обратить внимание: это не означает, что качество обслуживания, предоставляемого сетью MBS и фиксированной Ш-ЦСИС, идентично.

ЛИТЕРАТУРА

1. Самуйлов К.Е., Никитина М.В. Сети сотовой подвижной связи в стандарте GSM // Сети. N6, 1996. С.10-14.

2. Ефимушкин В.А. Технические аспекты систем спутниковой связи // Сети. N7, 1996.

3. Самуйлов К.Е., Филюшин Ю.И. Роль интеллектуальной сети в эволюции систем связи // Открытые системы. N2, 1996. С.32-38.