Технологии IMT-MC-450

[QWERTY 0]

[b]Преимущества технологии IMT-MC-450 и ее использование в сети "Скайлинк"[/b]

Тема CDMA-450 в последнее время привлекает все больше внимания у всех, кого интересует развитие российского рынка сотовой связи. А когда публикация подготовлена на основе материалов кого-то из признанных экспертов в этой области, как например, в данном случае, когда ее автором является Геннадий Голант, она просто не может не быть интересной. Впервые статья была опубликована в журнале "Мобильные телекоммуникации", N9, 2004.

Компания "Дельта телеком" первой в России начала предлагать услуги мобильной связи, запустив сеть стандарта NMT450. Однако к настоящему времени технологические и бизнес-возможности этой сети полностью исчерпаны. Компании Nokia и Ericsson, бывшие основными поставщиками для сетей NMT450, прекратили выпуск коммутационного оборудования и базовых станций этого стандарта еще в 2000 г. Уже несколько лет не выпускаются новые абонентские терминалы. На сети NMT450 нет возможности внедрять новые услуги.

В марте 2005 года истекает срок лицензии "Дельта телеком" на предоставление услуг связи в этом стандарте. Таким образом, переход от действующей аналоговой сети к цифровым технологиям сегодня неизбежен.

В 2001 году путем модернизации сетей стандарта NMT450 в России Министерством связи было признано внедрение технологии IMT-MC-450 (cdma2000 1х в диапазоне 450 МГц). Такую сеть под торговой маркой "Скай Линк" компания "Дельта телеком" запустила в декабре 2002 года.

В сети "Скай Линк" кроме высококачественной голосовой связи абонентам предлагаются услуги высокоскоростной (до 153 Кбит/с) передачи данных. Технология IMT-MC-450 обладает целым рядом преимуществ не только по сравнению со стандартами первого поколения (NMT), но и по сравнению с системами Второго поколения (GSM).

[b]Преимущества систем IMT-MC (cdma2000 1x).[/b]

[b]Использование новейших методов обработки сигналов.[/b] В системе IMT-MC-450 используются шумоподобные (псевдослучайные) сигналы и расширение спектра, а также более эффективные, чем в системах 2G, методы модуляции и кодирования (в частности, энергетический выигрыш от кодирования в системе cdma2000 на 5 дБ больше, чем в GSM-системах) и т.д. В целом это обеспечивает более высокую спектральную эффективность систем IMT-MC при передаче как речи, так и данных.

[b]Использование энергии нескольких лучей при многолучевом распространении радиоволн.[/b] Одно из замечательных свойств систем IMT-MC - эффективная работа в условиях многолучевого распространения сигналов, особенно ярко проявляющегося в условиях плотной городской застройки.

Многолучевое распространение сигналов резко отрицательно сказывается на работе сотовых систем первого и Второго поколений, которые используют сигнал только одного из лучей, а остальные лучи создают помехи и могут приводить к значительным замираниям сигнала (федингу). В системах IMT-MC многолучевое распространение не ведет к ухудшению связи благодаря использованию rake-приемников, которые имеют несколько каналов корреляционного приема. Rake-приемники обрабатывают сигналы, прошедшие разными путями (лучами), выравнивая их по фазе и складывая по амплитуде, что позволяет использовать практически всю мощность принимаемого сигнала. Rake-приемники позволяют складывать мощности не только разных лучей от одной ячейки базовой станции (БС), но и от разных ячеек одной БС (сверхмягкий хэндовер), а также от разных БС (мягкий хэндовер - soft handover, sho), что позволяет снизить мощность излучения БС и повысить емкость системы.

[b]Регулировка мощности.[/b] Динамическая регулировка мощности передачи абонентских терминалов и базовых станций - одна из принципиальных особенностей систем IMT-MC, без которой было бы невозможно реализовать их основные преимущества и, прежде всего, обеспечить высокую спектральную эффективность. В системах cdma2000 используется весьма сложная и эффективная система регулировки мощности с параметрами, которые существенно превосходят аналогичные параметры в системе GSM: глубина - 80 дБ, шаг - 0,5 дБ, точность - 0,5 дБ, скорость передачи команд - 800 Гц. Это позволяет передатчикам абонентских и базовых станций работать на минимально возможной мощности и тем самым максимизировать емкость системы. Одновременно это уменьшает влияние электромагнитных излучений терминалов на абонентов и увеличивает срок службы аккумуляторов между подзарядками. Максимальная мощность, излучаемая телефоном IMT-MC-450, составляет около 200 мВт (в системах GSM эта величина равна 2 Вт). С учетом регулировки мощности среднее значение мощности, излучаемое передатчиками абонентских и базовых станций стандарта IMT-MC, значительно меньше максимальных значений.

[b]Повторное использование частот и спектральная эффективность систем IMT-MC.[/b] Спектральная эффективность систем IMT-MC является результирующим параметром, который обусловливается совместным действием перечисленных выше свойств этих систем. Как известно, в системах с ортогональными сигналами (NMT, GSM, AMPS, DAMPS и др.) Используются следующие типовые кластеры: кластер 7/21 в аналоговых системах и кластер 4/12 - в цифровых. При этом весь выделенный оператору частотный ресурс распределяется между базовыми станциями, входящими в один кластер. В сети может быть несколько кластеров и, соответственно, частоты могут использоваться многократно.

В системах IMT-MC благодаря использованию квазиортогональных сигналов применяются кластеры типа 1/1, т.е. во всех ячейках кластера используются одинаковые частоты. Таким образом, системы IMT-MC имеют самую высокую степень использования частот, что обеспечивает преимущество по емкости этих систем перед системами с ортогональными сигналами и более высокую спектральную эффективность.

[b]Возможность улучшения одних параметров за счет других.[/b] В системах IMT-MC все основные параметры сети - зона обслуживания, пропускная способность (емкость) подсистемы радиодоступа и качество обслуживания - взаимосвязаны, и есть возможность улучшения одних параметров за счет других. Поэтому в системах IMT-MC нет жестких ограничений по емкости (soft capacity), и при возрастании нагрузки на некоторые сектора их пропускная способность может быть увеличена за счет уменьшения зоны покрытия и/или некоторого увеличения вероятности ошибочных фреймов (frame error rate, per), которое не приводит к существенному снижению качества речи и параметров передачи данных. Преимущества систем cdma2000 при голосовой связи вокодеры, применяемые в системе cdma2000 (EVRC), обеспечивают не только более эффективную передачу речи, чем в системе GSM (8 кбит/с вместо 13 кбит/с), используют адаптивную скорость передачи в зависимости от степени активности речи, но и обеспечивают снижение уровня окружающего шума за счет адаптивной регулировки порогов перехода к различным скоростям передачи в зависимости от уровня шума.

Таким образом, повышение скорости передачи происходит только при увеличении активности речи, а не при возрастании уровня окружающего шума.

Опыт эксплуатации сети "Скай Линк" показал, что базовые станции стандарта IMT-MC-450 имеют большой запас емкости и уникальные алгоритмы работы в условиях повышенной (экстремальной) нагрузки. В обычных условиях алгоритм работы БС IMT-MC-450 во многом аналогичен алгоритму работы БС GSM, а именно: каждый сектор базовой станции обслуживает те вызовы, которые генерируются в зоне данного сектора (как правило, 120 градусов по азимуту). В системах GSM количество таких вызовов ограничено числом канальных элементов в данном секторе, которое, в свою очередь, определяется количеством в этом секторе блоков приемопередатчика (TRX).

Таким образом, существует жесткое ограничение количества вызовов, обслуживаемых одним сектором, при превышении которого наблюдаются отказы по вызовам. В системе IMT-MC-450 реализован адаптивный алгоритм, который позволяет любому из секторов базовой станции в условиях экстремальной нагрузки обслуживать в 3-6 раз больше вызовов. При возрастании нагрузки в одном из секторов базовой станции IMT-MC-450 ему может быть отдан весь пул свободных канальных элементов двух других секторов, утраивая таким образом его ресурс. Более того, если абоненты (часть абонентов) находятся вблизи базовой станции (это означает, что их терминалы работают на минимальной мощности), то каждый сектор БС может динамически перейти на работу с использованием 128 кодов Уолша (в радиоконфигурации 4 RC4) вместо 64 (в конфигурации RC3). Это соответствует мгновенному удвоению числа каналов в каждом секторе (до 128) при некотором уменьшении обслуживаемой базовой станцией территории. В системах GSM этому соответствовало бы динамическое назначение дополнительных частотных каналов, но такой возможности в этих системах нет.

В системе IMT-MC в прямом канале конфигурации RC3 и RC4 могут использоваться одновременно. Подтверждение устойчивости системы IMT-MC к перегрузкам было получено в Санкт-Петербурге во время футбольных матчей, массовых мероприятий на дворцовой площади и др., когда один сектор ближней базовой станции в течение нескольких часов нес нагрузку более 90 Эрл вместо нормативной нагрузки 20 Эрл, причем была задействована только одна несущая 1,23 МГц из трех доступных в полосе 4,4 МГц, отведенных для IMT-MC-450.

Следует также отметить, что для обеспечения одинаковой пропускной способности по передаче речи системе GSM потребуется в несколько раз более широкая полоса частот по сравнению с системой IMT-MC-450.

Для примера сравним систему IMT-MC-450 с тремя несущими и систему GSM. Пропускная способность одной ячейки трехсекторной базовой станции IMT-MC составляет 3 х 20,2 = 60,6 Эрл. Такая нагрузка при потерях не более 2% требует 78 каналов трафика. Это число каналов трафика в системе GSM требует использования 10 несущих частот (для упрощения расчетов пропускной способности системы GSM примем, что первая несущая частота имеет семь каналов трафика и один тайм-слот используется для общего канала сигнализации (ВССН), остальные несущие имеют по восемь каналов трафика). Кластер типа 4/12 требует полосу частот, равную 0,2 х 12 = 2,4 МГц.

Таким образом, при одинаковой плотности установки базовых станций на заданной территории емкость (спектральная эффективность) системы cdma2000 1х в 6 - 7 раз выше, чем системы GSM.


[b]Преимущества систем cdma2000 при передаче данных. [/b]

Одним из важнейших преимуществ технологии IMT-MC является изначально заложенная в стандарт возможность высокоскоростной пакетной передачи данных (ВСПД) на скорости до 153 кбит/с. Спецификации используемой сейчас версии стандарта (IS-2000 rev. 0) были разработаны в 1999 г. На базе стандарта IS-95b. Причем заложенные в спецификации возможности ВСПД максимально ориентированы на пользователей интернета, работающих в интерактивном режиме. Так, скорость, которая будет предоставляться пользователю мобильного интернета, зависит в том числе от ресурса, к которому обращен запрос. В режиме ВСПД пользователю кроме фундаментального канала (со скоростью 9,6 Кбит/с) может быть предоставлен дополнительный канал со скоростью 19,2; 38,4; 76,8 или (максимум) 153,6 кбит/с.

При незначительном объеме запрашиваемого ресурса, например, скачивании из интернета текстовых страниц размером в десятки килобайт, полноскоростной (153 кбит/с) дополнительный канал не предоставляется, а средняя скорость во время сеанса составляет 40- 60 кбит/с. Напротив, если запрос обращен к ресурсу объемом несколько мегабайт, то адаптивный алгоритм стремится предоставить такому пользователю полноскоростной дополнительный канал при наличии в системе свободного ресурса (т.е. кодов Уолша и канальных элементов на БС). В этом случае средняя скорость передачи данных за сессию у пользователя, как правило, превышает 100 кбит/с (с учетом более низкой скорости при установлении соединения и условий радиоэфира).

Измерения показывают, что средняя скорость передачи данных в сети "Скай Линк" составляет 60-70 кбит/с, что обеспечивает абоненту мобильность и комфортную работу в интернете при просмотре не только текстов, но и изображений. Это превосходит параметры проводного коммутируемого доступа к интернету и конкурирует по скорости с ADSL-доступом.

[b]Сравнение с GPRS и EDGE[/b]

В стандарте GSM изначально не была заложена возможность передачи данных на скоростях более 9,6 кбит/с. Возможность увеличить скорость передачи до 13 кбит/с появилась позднее. Следующий шаг состоял во внедрении технологии GPRS. Однако это потребовало от операторов, во-первых, значительных инвестиций, а во-вторых, и это главное, не обеспечило высокой скорости передачи данных в реальных ситуациях. Наиболее распространенные терминалы работают в режиме GPRS по схеме 4/2(1), т.е. 4 тайм-слота на линии "вниз" и 1 - 2 слота на линии "вверх".

Таким образом, пиковые скорости GPRS равны 4x13,4 = 53,2 кбит/с на линии "вниз" и 26,8 (13,4) кбит/с - на линии "вверх". В условиях значительной загруженности сетей GSM голосовым трафиком средняя скорость, которую получает абонент GPRS, как правило, не превышает 20-30 кбит/с, особенно в часы наибольшей нагрузки.

Кроме того, зоны покрытия GPRS при использовании базовых станций диапазона 1800 МГц крайне малы, а использование для этой цели базовых станций диапазона 900 МГц ограничено недостаточностью ресурса (емкости) этих станций, который необходим для пропуска голосового трафика. Внедрение на сети GSM технологии EDGE означает внедрение новой модуляции в радиоканале между базовой станцией и мобильным терминалом. Для этого нужно иметь EDGE-совместимые передатчики на базовых станциях и, соответственно, телефоны, поддерживающие EDGE. Большинство коммерчески доступных терминалов - двуслотовые, что при максимальной скорости в одном EDGE-слоте 59,2 кбит/с обеспечивает в среднем около 100 кбит/с, т.е. ненамного больше, чем в сети IMT-MC 1x (rel. 0) [2].

[b]Преимущества использования диапазона 450 МГц[/b]

Диапазон 450 МГц, как наиболее низкочастотный из диапазонов, используемых для сотовой связи, обеспечивает минимальное затухание на трассе распространения сигнала, что обусловливает максимально возможный радиус действия соты IMT-MC-450.

В сочетании с другими преимуществами сетей IMT-MC, о которых говорилось выше, это позволяет иметь большее по сравнению с другими системами затухание на трассе: система cdma2000 имеет выигрыш в бюджете линка по сравнению с системой NMT-450 около 10 дБ, а по сравнению с системой GSM - около 3-4 дБ.

Требуемое число БС резко растет с ростом рабочей частоты (в 3 раза при использовании диапазона 900 МГц, в 10 -12 раз - для диапазона 1800 МГц и в 15 -16 раз - для диапазона 2100 МГц).

Развитие семейства систем cdma2000 1x необходимо особо отметить, что развитие семейства систем cdma2000 1x (и соответственно IMT-MC-450 1х) не закончилось и его отличает эволюционный подход. Определилось два направления развития систем cdma2000 1х:
[list]
[*]усовершенствование исходной системы cdma2000 1х;
[*]HDR (high data rate) или EV (evolution).
[/list]Второе из указанных направлений включает в себя две фазы: 1x EV-DO (evolution data only или в более поздней трактовке - data optimized) и 1x EV-DV (evolution data/voice). В основе системы HDR лежит идея раздельной передачи речи и данных, поскольку эти два вида информации принципиально отличаются по характеру создаваемого трафика и требованиям к основным параметрам качества обслуживания (QOS): скорости, допустимым задержкам, доле потерянных пакетов, джиггеру.

Оптимизация системы с точки зрения передачи данных позволяет максимально повысить ее спектральную эффективность - до 1,6 мбит/МГц (для версий стандарта EV-DO rev. О и EV-DV rel. С) и 2,07 мбит/с (для EV-DO rev. А и EV-DV rel. D). При этом системы 1x EV-DO требуют использования отдельной несущей и других (двухмодовых) абонентских терминалов, а системы 1x EV-DV обеспечивают полную обратную совместимость с системой cdma2000 1х, в том числе работу на общей несущей частоте (в одной полосе частот) и допускают использование старого абонентского оборудования 1х.

В системе 1x EV-DO передача речи может осуществляться только в режиме голос-поверх-ip (VoIP), в то время как в системе EV-DV rel. D обеспечивается также передача речи в режиме коммутации каналов (режим 1х).

Необходимо отметить, что с развитием систем помимо основного параметра - скорости передачи данных - улучшается ряд других важных параметров, в частности уменьшается время соединения, что позволит реализовать некоторые возможности транкинговых сетей, в частности групповую связь нажатием одной кнопки (push-to-talk, PTT), и повысить эффективность передачи речи в режиме VoIP. Наконец, увеличение скорости на линии "вверх" наряду с уменьшением времени реакции системы существенно расширяет возможности предоставления мультимедийных услуг.

[b]Итоги[/b]

Итак, по сравнению с сетями NMT-450 и GSM сети IMT-MC-450 имеют следующие основные преимущества: [list]
[*]значительно большую зону охвата (радиус действия базовых станций);

[*]более высокую емкость (в расчете на базовую станцию и на полосу частот);

[*]возможность высокоскоростной передачи данных в пакетном режиме, которая является основой для организации большого числа разнообразных мультимедийных услуг;

[*]обеспечение плавного перехода от сетей первого поколения к сетям следующего поколения;

[*]большую экологическую безопасность.
[/list]
Кроме того, необходимо подчеркнуть, что сети IMT-MC-450 строятся за счет использования части полосы частот в диапазоне 450 МГц, ранее выделенной для сетей стандарта NMT-450.

Выделение дополнительных полос и/или диапазонов частот может потребоваться в дальнейшем при интенсивном росте абонентской базы и необходимости обеспечения высокой плотности трафика. Такая ситуация может возникнуть в мегаполисах и, может быть, в городах, имеющих более миллиона жителей.

Благодаря перечисленным преимуществам системы IMT-MC-450 должны получать и уже получают все более широкое распространение в странах, где есть обширные территории с невысокой плотностью населения. В то же время, эти сети могут эффективно использоваться и в мегаполисах, особенно при выделении дополнительных полос частот и/или при построении многочастотных сетей IMT-MC. В заключение следует отметить, что оборудование 1x EV-DO-450 уже прошло первые испытания в сети "Скай Линк" в Санкт-Петербурге и Москве. Внедрение системы 1x EV-DO в сети "Скай Линк" в Санкт-Петербурге входит в планы компании "Дельта телеком" на 2005 год.

Более дальняя перспектива развития сети "Скай Линк", и в частности, выбор той или иной версии стандарта cdma2000 1х, зависят от целого ряда факторов: наличия частотного ресурса, роста абонентской базы, ситуации на рынке услуг сотовой связи и т.д. Тем не менее очевидно, что развитие технологии cdma2000 1х и в будущем открывает все большие перспективы перед операторами, ее использующими, за счет повышения скорости передачи данных и улучшения других характеристик системы.

© Геннадий Голант
"Мобильный форум"