Этапы эволюционного развития сетей cdmaOne. Передача IP-трафика в сетях cdmaOne/cdma2000.

Основные понятия и определения

Решением Международного совета по телекоммуникациям (International Telecommunications Union — ITU) установлены новые спецификации стандартов наземной и спутниковой радиосвязи третьего поколения IMT — 2000.

Данные спецификации позволяют без потери совместимости оптимизировать производительность большинства беспроводных сетей и представляют операторам возможность обеспечить совместимость своих сервисов со стандартом 3G.

В мире сложилась как бы двоякая ситуация с созданием сотовых сетей связи 3G. Базовой для них выбрана прогрессивная технология с кодовым разделением каналов (CDMA), но она по-разному реализуется технически. Это связано с двумя основными направлениями перехода существующих систем сотовой связи в поколение 3G - европейским, которое базируется на постепенной модернизации систем связи с временным разделением каналов (TDMA), известных как GSM, и американским, в основе построения систем связи которого заложена модернизация уже существующих систем cdmaOne.

Под сетями стандарта cdmaOne обычно подразумевают сети наиболее раннего стандарта с кодовым разделением каналов - IS-95A. Общепринято также объединять в это понятие сети стандарта IS-95В.

Под сетями стандарта cdma2000 подразумевают сети стандарта IMT-2000 c радиоинтерфейсом IMT-MC, который, в свою очередь подразделяется на две фазы — cdma2000 1Х и cdma2000 3Х. Стандарт cdma2000 1Х называют также IS-95C.

1. Note: The radio interfaces shown in the figure are commonly known by the following names: ULTRA FDD (WCDMA) for IMT-DS; cdma2000 for IMT-MC; ULTRA TDD, and TD-SCDMA for IMT-TC; UWC-136 for IMT-SC; and CECT for IMT-FT.

Эволюция от cdmaOne к cdma2000

Эволюцию от стандарта IS-95A к стандартам третьего поколения
можно представить как показано на Рис. 2.

Однако, фактически, в CDMA сообществе до последнего времени не было единого мнения по поводу фазы следующей за cdma2000 1X. В качестве альтернативы перехода к cdma2000 3X активно рассматривался предложенный группой LMNQS (Lucent, Motorola, Nortel, Qualcomm, Samsung) стандарт HDR или 1X-EV. За последние полгода основные поставщики оборудования CDMA и операторы пришли к единому мнению, что за основу следует взять именно 1X-EV. В ходе последующих дискуссий были выделены две фазы этого стандарта cdma2000 1X EV-DO и cdma2000 1X EV-DV. Таким образом, схема эволюции сетей IS-95A к третьему поколению приобретает в настоящее время следующий вид Рис. 3:

13 Августа с. г. на конференции в Стокгольме стандарт cdma2000 1X EV-DO был принят ITU как стандарт третьего поколения IMT-2000.

Следует также отметить, что стандарты семейства cdma2000 не требуют организации отдельной полосы частот и в ходе их эволюционного развития от cdmaOne могут быть реализованы во всех частотных диапазонах используемых системами сотовой подвижной связи (450, 700, 800, 900, 1700, 1800, 1900, 2100 МГц) и могут быть наложены как на инфраструктуру сети ANSI-41 так и на GSM-MAP.

Рис. 4 иллюстрирует это положение.

IP-трафик в сетях cdmaOne

В отличие от сетей GSM, принципы пакетной передачи закладывались в IS-95A c самого начала. Все абонентское оборудование этого стандарта поддерживает пакетную передачу данных, а сердцем каждой базовой стации и контроллера базовых станций является IP/ATM коммутатор. Следствием этого является простота реализации пакетной передачи данных в сетях cdmaOne — для этого необходимо лишь приобрести шлюз в IP сеть называемый Inter Working Function (IWF).

Структура сети представлена на Рис.5, 6.

В сетях IS-95A пиковая скорость передачи данных ограничена максимальной шириной полосы одного канала трафика, который может быть выделен либо под голос, либо под данные и составляет 14,4 Кбит/сек. Сети стандарта IS-95B отличаются от сетей IS-95А, в основном, возможностью объединения нескольких каналов трафика для одного пользователя с целью увеличения пиковой скорости передачи данных до 64 Кбит/сек. В этом смысле сети IS-95B являются аналогами широко внедряемых сегодня сетей GPRS. Коммерческий запуск сетей IS-95B состоялся в 1999 г. в Корее (операторы KT Freetel и Hansol) и в 2000 г. в Японии (операторы DDI и IDO).

IP-трафик в сетях cdma2000 1X

Большинство операторов сетей IS-95A решило пропустить этап перехода к IS-95B и перейти сразу к первой фазе стандарта третьего поколения — стандарту cdma2000 1X.

Основными отличиями данного стандарта от IS-95A являются:
— наличие пилота в обратном канале, т. е. реализован когерентный прием в обратном канале,
— использование большего количества кодов Уолша и, соответственно, большего числа служебных каналов и каналов трафика на одном частотном канале,
— наличие быстродействующей схемы контроля мощности в прямом и обратном канале,
— организация дополнительных каналов трафика в случае необходимости передачи больших массивов данных.

Все перечисленное выше позволило увеличить пиковую скорость передачи данных до 153,6 Кбит/сек и увеличить спектральную эффективность в 1,7 раза, как для голосового, так и для IP трафика. Иначе говоря, использование cdma2000 1X позволяет обслужить на одной базовой станции в 1,7 раза больше абонентов с голосовым трафиком, чем использование IS-95A в той же полосе частот.

Несмотря на то, что применение cdma2000 1X по различным оценкам дает также увеличение покрытия для голосового сервиса примерно на 35% с применением той же топологии базовых станций, антенн и антенно-фидерных трактов, при развертывании сети cdma20001X все же может понадобиться установка дополнительных базовых станций или репитеров. Это обусловлено тем, что отношение сигнал/шум влияет на скорость передачи данных и для получения однородного качества услуги по всей сети может понадобится некоторое улучшение покрытия по сравнению с сетью IS-95A.

Полевые испытания и опыт действующих операторов cdma2000 1X (SK Telecom, KT Freetel, LG Tekecom, Verizon Wireless) показывают, что в указанных выше условиях средняя скорость передачи составляет 130 Кбит/сек с симметричным трафиком в прямом и обратном каналах. Ресурс по передаче трафика данных предоставляемый базовой станцией делится между пользователями подобно тому, как офисная локальная сеть ограничивать потребности каждого пользователя. Однако, учитывая "взрывной" характер трафика данных, когда максимальная ширина полосы достаточно редко запрашивается пользователем, величины немного меньшие, чем 130 Кбит/сек, являются вполне достижимыми.

Для перехода к новому стандарту в сети IS-95A необходимо произвести следующую модернизацию:
— Заменить платы канальных элементов на базовых станциях на платы нового типа или добавить их;
— Произвести модернизацию программного обеспечения;
— Установить новые или модернизировать существующие элементы доступа в IP-сеть: PCF (Packet Control Function), PDSN (Packet Data Service Node), AAA (Accounting, Authentication, Authorization). Функции PCF были определены таким образом, чтобы в максимальной степени сделать подсистемы PDSN и AАА универсальными и стандартно применимыми в сетях передачи данных. Таким образом, удалось добиться того, что PDSN представляет собой стандартный маршрутизатор доступа в IP сеть, а ААА представляет собой стандартный радиус-сервер.

Структура сети cdma20001X представлена на Рис. 7

Следует также отметить, в стандарты семейства cdma2000 на транспортном уровне заложен протокол Mobile IP, который позволяет пользователям пользоваться роумингом передачи данных без смены IP адреса при переходе из домашней в гостевую систему или другую сетевую среду.

В данном случае структура сети приобретает вид Рис. 8

Стандарт cdma2000 1X обладает полной прямой и обратной совместимостью с IS-95A. Это означает, что телефоны стандарта cdma2000 1X будут работать в сетях IS-95A. В свою очередь телефоны IS-95A тоже будут работать в сетях cdma2000 1X, только лишь с меньшей скоростью передачи данных — 14,4 Кбит/сек.

IP-трафик в сетях cdma2000 1Х EV

Поскольку задачи передача голоса и данных предъявляют принципиально разные требования к построению радиоинтерфейса, при разработке стандартов серии cdma2000 EV было решено "развести" трафик голоса и данных по разным частотным каналам. Как первая фаза этого стндарта был разработан стандарт cdma2000 1Х EV-DO, который описывает исключительно передачу данных в отдельном частотном канале 1,25 МГц.

Передачи голоса чувствительна к задержкам в тракте передачи, поэтому в системах радиосвязи с кодовым разделением каналов необходимо постоянно поддерживать стабильный канал передачи, постоянно отслеживая и изменяя мощность сигнала в зависимости от расстояния между передатчиком и приемником. В cdma2000 1Х EV-DO реализован другой механизм — приемник каждые 1,67 мс измеряет соотношение сигнал/шум и скорость передачи данных варьируется в зависимости от условий, в которых находится приемник. Передача производится с максимальной скоростью, когда приемник находится в наилучших условиях.

Все вышесказанное позволяет добиться скоростей передачи 2,4 Мбит/с в прямом, и 307 Кбит/с в обратном каналах, а также увеличить спектральную эффективность при передаче данных примерно в шесть раз по сравнению с cdmaOne.

Следующая фаза этого стандарта cdma2000 1Х EV-DV разработанная Motorola совместно с Nokia, Philips Semiconductors и Texas Instruments позволяет осуществить передачу и голоса и данных в одном частотном канале 1,25 МГц и достичь пиковых скоростей передачи 4,8 МГц.

Для перехода к стандарту cdma2000 1Х EV-DO необходимо:
— Выделить отдельные частотные каналы для передачи данных,
— Заменить платы канальных элементов на базовых станциях на платы нового типа,
— Произвести модернизацию программного обеспечения.

Сети стандарта cdma2000 1Х EV могут быть реализованы как в виде централизованной, так и децентрализованной архитектуры Рис. 9,10.

В первом случае (Рис. 9) сценарий перехода cdma 2000 1X — cdma 2000 1X EV практически не отличается от перехода cdmaOne — cdma 2000 1X.

Во втором случае (Рис. 10) фактически организуется наложенная сеть передачи данных на отдельных частотных каналах. В этом смысле децентрализованный вариант реализации сети cdma2000 1Х EV является аналогом хорошо известных сетей CDPD.

Так же, как и cdma 2000 1X cтандарт cdma2000 1Х EV обладает полной прямой и обратной совместимостью со стандартом cdma2000 1X и, соответственно, с IS-95A.

Скорости передачи, пиковая и пропускная способность

Помимо пиковой скорости передачи данных одной из важнейших характеристик сети является пропускная способность. Первая — означает максимальную скорость передачи, которую отдельный пользователь может достичь в идеальных условиях. Вторая — это общий ресурс по передаче данных доступный всем пользователям, находящимся в одном секторе базовой станции. Если пропускная способность возрастает, каждая из базовых станций сети может пропустить через себя больший трафик, следовательно, для обслуживания абонентов требуется меньше базовых станций, а, следовательно, меньше оборудования и капитальных затрат.

Пиковая скорость влияет на качество услуги и доступные виды сервиса (приложений), пропускная способность влияет на себестоимость услуги, но и на качество услуги тоже.

На Рис. 11 дана сравнительная характеристика пиковой скорости и пропускной способности стандартов семейства cdmaOne/cdma2000 (для сравнения приведены данные по стандарту W-CDMA из источника WCDMA-RTT Submission to ITU Summary Situation Results, page 131, understanding the capacity-Coverage Trade-off, Nokia Presentation, GSM World Congress 2000).

Рисунок
в процессе подготовки.

Из Рис. 11 хорошо видно, что если по заявленной пиковой скорости передачи данных стандарт W-CDMA достаточно близок к cdma2000 1Х EV, то по пропускной способности достаточно сильно уступает ему и, скорее, близок по данному параметру к cdma2000 1Х.

То, что пропускная способность стандарта может иметь для оператора решающее значение при переходе к сети третьего поколения иллюстрирует следующий пример. На рис. 12 в верхней части изображен спектр оператора cdmaOne. (Для простоты рассмотрения взяты 10 частотных каналов общей шириной 15 МГц полностью загруженные голосовым трафиком абонентов).

Переход к стандартам cdma2000 сразу позволяет оператору за счет более высокой спектральной эффективности и, следовательно, более высокой пропускной способности высвободить 40% спектра и заполнить этот диапазон новыми услугами высокоскоростной передачи данных. Более того, необходимо учитывать, что в cdma2000 стандартизован новый вокодер — SMV. На Рис. 13 приведены экспериментальные данные показывающие, что при качестве передаче речи сравнимым с качеством широко используемого сегодня вокодера EVRC, вокодер SMV позволяет сэкономить еще 34% спектрального ресурса требуемого для передачи голоса.

Таким образом, оператор cdma2000 сможет обслужить 100% голосовых абонентов в 40% имеющегося спектра, остальная часть спектра высвобождается для предоставления услуг передачи данных.

В нижней части Рис. 12 для сравнения изображен спектр, который потребовался бы оператору cdmaOne, в случае, если бы он решил реализовать услуги передачи данных "экстенсивным путем", т. е. прямым наращиванием частотного ресурса. В этом случае ему потребовалось бы 360% спектра дополнительно, что в нашем конкретном примере составит диапазон 54 МГц.

В качестве заключения ниже приведены практические результаты достигнутые в сетях cdma2000, которые наглядно демонстрируют преимущества эволюционного подхода к построению сетей ртетьего поколения.

Сети cdma2000 1Х, существующие и планируемые к запуску в 2001 г.

Таблица 1.

Страна Оператор Дата запуска/испытаний

Австралия Telstra Испытания 3Q 2000

Бразилия Global Telecom Запуск 4Q 2001

Бразилия Telesp Celular Запуск 4Q 2001

Бразилия Vesper Запуск 4Q 2001

Канада Bell Mobility Запуск 4Q 2001

Канада Telus Mobility Испытания 3Q 2000

Чили SmartCom PCS Запуск 2H 2001

Япония KDDI Запуск 4Q 2001

Корея KT Freetel Запуск 2 Мая 2001

Корея SK Telecom Запуск 1 Октября 2000

Корея LG Telecom Запуск 1 Мая 2001

Мексика Pegaso PCS Запуск 4Q 2001

Новая Зеландия Telecom Mobile Limited Запуск 4Q 2001

США ALLTEL Communications Запуск 2H 2001

США Sprint PCS Запуск 4Q 2001

США Verizon Wireless Запуск 1 Августа 2001

Венесуэла Telcel Испытания 1H 2001

Сети cdma2000 1Х EV-DO планируемые к запуску в первой половине 2002 г.

Таблица 2.

Страна Оператор Дата запуска/испытаний

Корея SK Telecom Запуск 1Q 2002

Корея LG Telecom Запуск 1Q 2002

Япония KDDI Запуск 2Q 2002

Основные преимущества стандартов cdma2000 1X и cdma2000 1X EV-DO для оператора сети 3G:
— простота и наименьшая стоимость реализации,
— быстрый выход на рынок,
— возможность использования, как существующего спектра, так и спектра UMTS,
— более высокая спектральная эффективность,
— использование опыта построения и эксплуатации существующих сетей CDMA.

В качестве обобщения приводятся сравнительные характеристики существующих сетей 3G работающих в стандартах W-CDMA и cdma2000 1X.

W-CDMA (NTT DoCoMo, Япония):
— максимальная скорость передачи данных — 315 Кбит/сек,
— начало предоставления услуг — октябрь 2001 г.,
— покрытие — центр Токио, радиус 30 км,
— собственная версия протокола FOMA не поддерживаемая другими производителями,
— диапазон частот — UMTS (2100 Мгц), невозможность использования других частотных диапазонов,
— срок опытной эксплуатации — более полугода.
— 3 типа абонентских терминалов,
— терминалы других стандартов не поддерживаются сетью,
— 5 тыс. абонентов

cdma2000 1X (SK Telecom, LG Telecom, KT Freetel, Корея, Werizon Wireless, США):

— максимальная скорость передачи данных — 153,6 Кбит/сек,
— начало предоставления услуг — октябрь 2000 г.,
— покрытие — Корея, общенациональное, г. Нью-Йорк и штат Нью-Джерси, США (проведена модернизация более 5000 БС),
— используется единый протокол, предложенный сообществом производителей и операторов оборудования CDMA,
— диапазон частот — 800 МГц, возможность использования других частотных диапазонов, в том числе UMTS,
— сроки опытной эксплуатации всех сетей не превысили месяца,
— 23 типа абонентских терминалов,
— терминалы IS-95A и IS-95B поддерживаются сетью, полная прямая и обратная совместимость — более 1,5 млн. абонентов.

Другие материалы в этом разделе:

ИК-связь, Bluetooth, Wi-Fi и WiMAX »

Описание чипов Qualcomm и поддержка ими CDMA450 »

Третье поколение (Издательство "Открытые системы") »

Методы и средства связи »

Мобильные технологии третьего поколения »

Технологии CDMA. »