Конспект лекции: Поколения сотовых систем связи
Первое поколение: аналоговые сотовые системы. В декабре 1971 г. компания Bell system представила в ФКС заявку на новую аналоговую сотовую систему радиосвязи с ЧМ ? HCMTS (High Capacity Mobile Telephone System ? система подвижной телефонии большой ёмкости). Заявка была принята, и ФКС выделила для этой системы участок спектра шириной 40 МГц в диапазоне 850 МГц. Система HCMTS начала развиваться в 1978 г. Она воплотила в себе ряд разработок, выполненных в области технологии сотовой и подвижной радиосвязи за много лет. Коммерческая эксплуатация сотовой подвижной связи была введена в 1983 г. Аналоговый стандарт США для сотовой радиосвязи 80-х и 90-х годов ? AMPS (Advanced Mobile Phone Service) развился из HCMTS. Параллельно с AMPS (США) в Европе и Японии было разработано несколько аналоговых сотовых систем. Разработанная в Великобритании система TACS (Total Access Communications System) тесно связана с системой AMPS. В Скандинавии была разработана система NMTS (Nordic Mobile Telephone System), а в Японии ? NAMTS (Nippon Advanced Mobile Telephone Service). Федеративная Республика Германия создала свою собственную систему С NETZ. Каждая система была выбрана и разрабатывалась в стране с учетом характерной для нее среды и условий. Выбор частотных диапазонов определялся наличием РЧ диапазонов в каждой стране.
Второе поколение: цифровые СПРС. Несмотря на то, что сотовая концепция обещает фактически беспредельную ёмкость благодаря дроблению сот, отрасль столкнулась с практическими ограничениями, так как популярность сотовой радиосвязи в 90-х годах быстро возросла. С сотами, размеры которых делались меньше и меньше, становилось все труднее и дороже размещать базовые станции в наиболее удобных местах. Это в первую очередь относится к крупным, перенаселенным городам, где потребности в ёмкости наиболее насущны. К тому же, оказывается, имеются довольно серьёзные ограничения, связанные с помехами, относительно того, насколько малых размеров могут быть соты аналоговых ЧМ систем первого поколения. Эти практические ограничения оставили ёмкость сотовых систем значительно ниже предполагаемой первоначально и запрашиваемой рынком.
Выгодность сотовой системы первого поколения в Европе снижалась также из-за увеличения числа несовместимых стандартов, которые делают невозможным для человека использование одного и того же сотового телефона в разных странах. Эти ограничения послужили причиной разработки сотовых систем второго поколения с целью достижения большей ёмкости и улучшенной совместимости.
Выбор цифровой технологии в последующих поколениях сотовых систем является фундаментальным и, вероятно, необратимым решением. Комитеты, занимавшиеся международной стандартизацией для сотовых систем второго поколения, выбрали цифровые системы. Одним из наиболее привлекательных аспектов цифровых методов передачи является то, что они более эффективны в условиях сильных помех и обеспечивают более высокую ёмкость систем, нежели аналоговые методы. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) и методы цифровой радиосвязи приводят к новым применениям, включая мобильный компьютер, факсимильный аппарат и другие мобильные услуги по обработке информации. Высокая помехоустойчивость позволяет следующим поколениям сотовых систем значительно превзойти пределы ёмкости аналоговых систем. Преимущества цифровой реализации основаны также на том обстоятельстве, что цифровая техника переживает быстрые и впечатляющие темпы улучшения характеристик, снижения стоимости и потребляемой мощности.
Третье поколение: цифровые СПРС с комплексом услуг и повышенной скоростью обмена данными. Системы цифровой радиосвязи третьего поколения используют улучшенный метод многостанционного доступа на основе временного разделения каналов (МДВРК), многостанционный доступ на основе кодового разделения каналов (МДКРК), а также системные архитектуры с многостанционным доступом на основе контроля конфликтов (МДКК) и расширения спектра сигналов и многостанционного доступа на основе частотного разделения каналов (МДЧРК) с узкополосными цифровыми несущими.
При проектировании СЦРС третьего поколения (3G) основное внимание сконцентрировано на более высоких скоростях передачи информации внутри сетей второго поколения. В 1986 г. Международный союз электросвязи (МСЭ) ? ITU (International Telecommunication Union) ? инициировал работу над программой под названием «Проектируемая наземная система подвижной телефонной связи» (FPLMTS ? Future Public Land Mobile Telephone System), которая преследовала своей целью создание глобального стандарта подвижной СЦРС в диапазонах 1885...2025 МГц и 2110...2200 МГц. В 2000 г. программа была переименована в IMT-2000 (International Mobile Telecommunications in year 2000).
Цель проводимой работы была следующей: обеспечить высокоподвижных абонентов возможностью осуществлять обмен информацией со скоростью 144 кбит/сек (предпочтительно ? 384 кбит/сек) в большой зоне обслуживания и 2 Мбит/сек ? для малоподвижных абонентов в малой зоне обслуживания. Скоростной цифровой радиоканал предполагалось использовать для передачи пакетов информации, в частности, для работы в сети Интернет. Кроме того, СЦРС третьего поколения должны обеспечивать передачу голосового потока, видео, электронной почты, коротких текстовых сообщений, мультимедийной информации. Таким образом, СЦРС третьего поколения должна стать цифровой сетью связи с комплексными услугами (ISDN ? Integrated Services Digital Network).
В результате поиска наиболее эффективных решений для осуществления множественного доступа в 3G-СЦРС МСЭ были предложены несколько вариантов. В Европе усилия по созданию СЦРС третьего поколения были сконцентрированы в рамках программы с названием «Универсальная система мобильной связи» (UMTS ? Universal Mobile Telecommunications System). Работа началась в 1992 г. по следующим направлениям.
1. Усовершенствование МДВРК (ATDMA ? Advanced Time Division Multiple Access). В данной технологии для больших сот использована адаптивная модуляционная схема, как в GSM. Но для малых сот, в густо населённых районах, использована линейная модуляция, что позволяет достигать более высоких скоростей передачи данных в заданной полосе частот.
2. Экспериментальная система с кодовым разделением каналов (CODIT ? COde DIvision Testbed). В данной технологии увеличение скорости передачи данных до 2 Мбит/сек предполагало непосредственное расширение спектра группового сигнала псевдослучайной последовательностью до 1, 5, и 20 МГц.
Указанные два направления сопровождались вторым этапом, в рамках которого уделялось внимание широкополосной СЦРС с кодовым разделением каналов (WCDMA ? Wideband Code Division Multiple Access). Гибрид указанных методик включает в себя как частотный дуплекс (FDD ? Frequency Division Duplex), так и временной (TDD ? Time Division Duplex). Режим FDD базируется исключительно на WCDMA, в то время как режим TDD включает дополнительный узел TDMA (TD/CDMA).
В Соединенных Штатах Америки усилия по созданию СЦРС третьего поколения включали продвижение TDMA и CDMA подходов. Комитет TR45.3 Ассоциации телекоммуникационной промышленности США (TIA ? Telecommunication Industry Association), ответственный стандартизацию IS-136 (цифровизация AMPS), принял решение о создании 3G-СЦРС на основе TDMA. Разработанный стандарт UWC-136, основанный на рекомендациях Всемирного консорциума беспроводной связи (UWCC ? Universal Wireless Communications Consortium) предполагает адаптивную модуляцию с занимаемыми полосами 200 кГц и 1,6 МГц. Сигнал с полосой 200 кГц, (передвижной, наружный абонент) обладает теми же параметрами, что и GSM с увеличенной скоростью потока данных (EDGE ? Enhanced Data rates for GSM Evolution). UWC 136 позволяет создать сеть пакетной радиосвязи общего назначения (GPRS ? General Packet Radio Services) со скоростями вплоть до 384 кбит/сек.
Дальнейшая работа комитета TR45.3 была направлена на стандартизацию технологии с МДКРК IS 95 (CDMAone, 1994 г.), явившейся платформой для создания СЦРС третьего поколения CDMA2000 в 1998 г. Технология WCDMA была основана на базовых принципах CDMA2000 и представлена на рассмотрение МСЭ. В 2001 году было принято согласовать указанные стандарты.
Параллельно с европейскими усилиями японские инженеры также сориентировались на технологии TDMA и CDMA при создании 3G СЦРС. Технологический толчок при разработке 3G сетей в Японии на основе WCDMA ускорил стандартизацию аналогичных систем в Европе и в США. В течение 1997 параметры японского и европейского WCDMA были согласованы. Работа внедрению сетей WCDMA продолжилась в 1997 и 1998 г.г.
Четвёртое поколение: высокоскоростные мобильные IP сети. Создание СЦРС четвёртого поколения (4G) предполагает существенное по сравнению с 2G/3G сетями увеличение скорости передачи данных ? до нескольких гигабит в секунду ? как для движущихся, так и для стационарных абонентов. Второй особенностью 4G-СЦРС является полная интеграция в компьютерные IP-сети.
При Международном союзе электросвязи создан специальный отдел, названный «Сектором радиосвязи» (ITU R ? ITU Radiocommunication Sector), осуществляющий, кроме мониторинга и распределения частот, контроль за внедрением эффективных глобальных стандартов в области радиосвязи и радиовещания. Согласно Сектора радиосвязи МСЭ, 4G СЦРС отнесены к IMT advanced ? продвинутые глобальные мобильные системы. В сентябре 2009 г. Сектором радиосвязи МСЭ утверждены два кандидата на стандарт глобальной системы цифровой подвижной радиосвязи четвёртого поколения:
1. LTE advanced (Long Term Evolution advanced ? продвинутая система подвижной связи долгосрочного развития);
2. IEEE 802 16.
Семейство стандартов IEEE 802.16, известное под коммерческим названием WiMAX, представляет собой СЦРС, использующая фиксированный и мобильный вариант обмена данными на скорости до 10 Мбит/сек. Особенностью технологии является динамическое использование диапазона частот от 1,5 ГГц до 11 ГГц и отсутствие необходимости радиовидимости между передающим устройством и приёмным по причине интеграции СЦРС в наземные проводные и радио IP сети.
Внимание! Каждый электронный конспект лекций является интеллектуальной собственностью своего автора и опубликован на сайте исключительно в ознакомительных целях.