Сотовые системы первого - третьего поколения

Cмена поколений в мобильных системах связи (с первого по третье), происходила примерно раз в десять лет или около того. При появлении мобильных услуг связи первого поколения, мобильные устройства отличались крупными размерами и с трудом могли поместиться в багажнике автомобиля. Аналоговые компоненты, такие, как усилитель мощности, синтезатор, и общее антенное оборудование были очень громоздкими. Системы первого поколения были предназначены для услуг голосовой связи и низкоскоростной (примерно 9,6 кбит/с) передачи данных с коммутацией каналов. Мобильные устройства уменьшились в размерах до объёма менее 200 кубических сантиметров (см3) перед появлением систем второго поколения (1990 г.). Телефоны первого поколения отличались низким качеством передачи звука, малым количеством времени разговоров и покоя. В системах первого поколения использовалась технология множественного доступа с разделением частот (FDMA) и аналоговая частотная модуляция.

Системы второго поколения основывались на технологиях многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA) и многостанционного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA), которые были разработаны в основном для улучшения качества передачи звука и обеспечения передачи различных голосовых голосовых характеристик. Эти системы также поддерживали низкую скорость передачи данных. (16-32 кбит/с).

Для систем второго поколения оставались нерешёнными основные проблемы: цена устройства и качество предоставляемых услуг. Сюда включались такие вопросы, как выбор метода компрессии голоса, линейной или нелинейной схемы модуляции, и что делать с запаздыванием вследствие многолучевого распространения радиоволн, в ходе которого может возникать не только фазовое сокращение, но и значительная временная разница между прямыми и отражёнными волнами.

Стремительный прогресс в цифровых процессорах сигналов (DSP) возможно, был вызван быстрым развитием технологий кодирования/декодирования голоса для мобильных систем связи, которые часто работали с ошибками. Большой рост числа абонентов мобильных сетей и опасность того, что возможности спектра в скором времени будут исчерпаны, привели к выбору линейных систем модуляции.

Для того чтобы справиться с запаздыванием вследствие многолучевого распространения Европа, США и Япония применяли разные подходы. В Европе в GSM приняли высокую скорость передачи в 280 кбит/с на 200 кГц радиочастотного канала с использованием уплотнённой системы TDMA (многостанционного доступа с временным разделением каналов) с 8-16 голосовыми каналами, и обязательным наличием выравнивателя (эквалайзера) с большим числом ответвлений для преодоления межсимвольных помех (ISI) (см. гл. 3). В США использовали скорость радиопередачи 48 кбит/с на канале 30 кГц, и выбрали цифровые улучшенные мобильные системы DAMP (IS-54/IS-136) для уменьшения рассчётных потребностей в выравнивании и систему многостанционного доступа с кодовым разделением каналов CDMA (IS-95) во избежание возникновения потребности в выравнивании. В Японии использовали скорость 42 кбит/с на канале 25 кГц и эквалайзеры по выбору.

Принимая в расчёт ограниченность доступного спектра радиоволн, в третьем поколении мобильных систем в центре внимания находилась проблема экономии сетевых ресурсов и разработки радиопередачи для обеспечения прямой связи абонентов. Системы третьего поколения предоставляют своим пользователям прямой доступ к фиксированным сетям передачи данных. Они понимаются как беспроводное расширение постоянных сетей, а также как интегрированная часть фиксированной сетевой инфраструктуры. Системы третьего поколения разрабатываются для оказания мультимедийных услуг, включая передачу голоса, данных и видеоинформации.

Основное достижение систем третьего поколения по отношению к системам второго поколения – иерархическая сотовая структура, разработанная для поддержки широкого диапазона мультимедийных широкополосных услуг в рамках различных типов сотовых структур с использованием передовых технологий передачи и протокольных технологий. Системы второго поколения в основном используют однотипную сотовую структуру и применяют повторное использование частоты в смежных сотах таким образом, что в каждой соте в пределах мобильных сетей создаётся собственный контроль радиозоны и радиолинии, включая регулирование трафика и процедуру переадресации. Трафик в каждой соте фиксирован из-за ограничений частоты и малой гибкости радиопередачи, которая оптимизирована для передачи голоса и низкоскоростной передачи данных. Увеличение трафика ведёт к дорогостоящему изменению конфигурации сот, такому, как разделение и секционирование сот для увеличения их пропускной способности.

Многослойная структура сот в системах третьего поколения предназначена для преодоления этих проблем путём дискретного перекрытия пико- и микросотовой структуры с макросотовой структурой с большой зоной покрытия. Глобальные/спутниковые соты могут использоваться с тем же назначением и обеспечивая зону покрытия там, где использование группы макросот не является экономичным для развития и/или поддержки трафика на больших расстояниях.

При малой мобильности и небольшом запаздывании распространения в пикосотах, высокая скорость передачи и высокая плотность трафика могут поддерживаться с меньшей сложностью в сравнении с низкой скоростью передачи и малым трафиком в макросотах, которые более подвижны. Пользователь будет ожидать единообразных услуг в согласованной последовательности, вне зависимости от того, мобильны или постоянны средства доступа к этим услугам. Свобода расположения и средства доступа станут более удобными благодаря смарткартам, которые позволяют абонентам регистрироваться на разных терминалах с использованием различных возможностей (речь, мультимедиа, данные, СМС).

Выбор параметров радиоинтерфейса, соответствующих схеме множественного доступа – критический вопрос в условиях эффективности использования спектра, при этом берётся в расчёт постоянно возрастающий рыночный спрос на услуги мобильной связи и факт, что спектр радиочастот – очень дорогой и ограниченный ресурс. В рамках программы RACE – исследований усовершенствованных коммуникационных технологий была проведена сравнительная оценка стоимости нескольких разных схем. Одно из возможных решений – использование комбинированной техники CDMA/TDMA/FDMA с объединением преимуществ каждой из них и движение навстречу изменяющимся требованиям пропускной способности канала, информационной нагрузки и качества передачи в различных вариантах сотовых систем связи и систем персональной связи PCS. Недостатки таких комбинированных схем доступа – сложности в получении упрощенной недорогой модели передачи с малым потреблением энергии, также как и эффективной гибкости управления в нескольких уровнях сотовой системы.

CDMA – многостанционный доступ с кодовым разделением каналов – подход для перехода к системам третьего поколения, избранный Европейским институтом стандартов телекоммуникаций (ETSI), ассоциацией радиопромышленности и бизнеса (ARIB) и ассоциацией Телекоммуникационной промышленности США (TIA). В Европе и Японии во избежание предъявления права интеллектуальной собственности IS-95 была избрана технология широкополосного многостанционного доступа с кодовым разделением каналов/универсальная система мобильной связи (WCDMA/UMTS). В Северной Америке, CDMA2000 использует эфирный интерфейс CDMA, основанный на стандарте IS-95 для обеспечения качественной передачи голоса и высокой скорости передачи данных: 144 кбит/с для мобильных пользователей, 384 кбит/с для пешеходов, и б Мбит/с для неподвижных пользователей. Способность передачи данных CDMA IS-95B со скоростью 64 кбит/с обеспечивает быстрый доступ к Интернету в мобильной окружающей среде, чего невозможно достичь в других узкополосных цифровых технологиях.

При использовании широкополосных технологий CDMA возможна мобильная передача данных со скоростью до 2 Мбит/с. Эти услуги доступны без ухудшения качества передачи голоса или требования дополнительного места в спектре. Это создаёт огромные трудности большинству операторов мобильной связи, так как место в спектре ограничено. Тем временем, быстродействие цифровых процессоров сигналов увеличивалось в каждом поколении, от 4 MIP (миллионов операций в секунду) к 40 MIP и затем к 400 MIP.

С появлением систем второго поколения, в базовых станциях появились такие свойства, как динамическое распределение каналов. В дополнение к этому, на большинстве базовых станций стало применяться коллективное использование усилителей мощности и линейных усилителей вне зависимости от того, была модуляция линейной или нелинейной. По существу вырос спрос на высокопроизводительные, большие линейные усилители мощности взамен нелинейных.

В начале истории второго поколения, абоненты были счастливы, если им удавалось приобрести мобильное устройство объёмом менее 150 кубических сантиметров. Сегодня, размеры мобильных телефонов уменьшились до 70 кубических сантиметров. Кроме того, значительный прогресс был достигнут в сверхбольших интегральных микросхемах (VLSI), а усовершенствование центральных процессоров привело к улучшению функциональности телефонов, которые всё больше и больше становятся похожи на миниатюрные компьютеры.