Высокоскоростные сети с поддержкой HSPA
1. Введение
Мировой рынок систем мобильной связи является одним из наиболее выгодных. В нем задействован практически каждый человек в любой стране. Даже самые бедные люди сейчас имеют мобильные телефоны.
Конкуренция на этом рынке очень жесткая. Технологии мобильной связи непрерывно развиваются и совершенствуются.
Основное направление развития связано с увеличением скорости передачи и улучшением качества связи. Ведущие мировые производители комплектующих и оборудования для систем мобильной связи вкладывют огромные средства в новые разработки. Поэтому постоянно появляются новые технологии и стандарты. Соответственно возникают новые термины и названия.
Поскольку вся документация по технологии и стандартам мобильной связи в оригинале подготавливается на английском языке, то даже специалистам в англоязычных странах не всегда понятны некоторые новые термины.
Если говорить о переводе этой документации на русский, то можно смело говорить о том, что в России, по крайней мере, в Рунете, нет единого подхода к трактовке терминов и определений. За последние несколько лет в России появилось достаточно много словарей и глоссариев. К сожалению, нужно отметить, как разночтение, так и ошибки в трактовке терминологических терминов в области мобильной телекоммуникаций.
По существу, мало кто сможет сразу сказать, в чем заключается принципиальная разница между технологиями UMTS, HSDPA, HSUPA, HUPA, HUPA+, LTE. Вместе с тем, эти термины подчеркиваются производителями в технических характеристиках предлагаемого оборудования как показатель преимущества и новизны.
Для бытовых мобильных телефонов существуют адаптированные переводы технических характеристик на русском языке, одобренные в процессе получения российских сертификатов.
Для базовых модулей, поддерживающих высокоскоростные технологии, ситуация значительно сложнее. Некоторые производители, особенно это касается китайских вендоров, приводят теоретически возможные параметры своих модулей, естественно, не упоминая, что в реальных условиях эти параметры не могут быть реализованы в принципе.
Для того, чтобы избежать возможных ошибок и квалифицированно выбрать необходимый GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA/HSUPA/LTE модуль, а также понять соотношение цены и его реальные технические возможности, в данной статье сделана попытка объяснить в общих чертах суть новых высокоскоростных технологий мобильной связи поколения 3G и их реализацию в базовых модулях ведущих мировых производителей.
2. Сети мобильной связи третьего поколения 3G
Сети 3G (third generation) - это третье поколение сетей мобильной связи, разработанное на базе технологии пакетной передачи данных [1].
Появление 3G-сетей вызвано необходимостью удовлетворить возрастающий в мире спрос на высокоскоростные технологии.
Современные сети 3G используются в следующих областях:
• Интерактивный обмен мультимедиа данными;
• Видеотелефонная связь;
• Передача изображений и больших объёмов информации;
• Асимметричная передача мультимедийных данных;
• Работа с сетями Internet и интрасетями.
На рисунке 1 приведена схема, иллюстрирующая развитие сетей мобильной связи
Рис.1. Эволюция сетей мобильной связи
Рисунок 1 иллюстрирует эволюцию двух основных ветвей мобильной связи.
Одна из ветвей соответствует технологии CDMA One/CDMA2000. Эти сети в России представляет SkyLink. Их следующее поколение известно, как технология EV-DO (Evolution-Data Optimized).
В М2М приложениях наибольшие перспективы сети третьего поколения будут иметь в охранных сигнализациях с передачей видеоизображения, в беспроводных системах АСКУЕ, в системах контроля движения транспорта, в сложном медицинском диагностическом оборудовании и других областях, где скорость передачи имеет решающее значение. Как показала практика, из - за неудачного частотного диапазона, это направление вряд ли будет широко использоваться в России именно в М2М - приложениях. Поэтому мы не будем подробно останавливаться на технологии CDMA2000 в нашей статье.
Сети, поддерживающие GSM развиваются по направлению GSM > GPRS > EDGE > WCDMA >HSPA >HSPA+.
Про технологии GSM, GPRS, EDGE написано много и достаточно подробно. Поэтому перейдем сразу к технологии WCDMA.
Стандартизацией сетей третьего поколения 3G в настоящее время занимается ITU (International Telecommunications Union - Международный Союз Электросвязи). С той целью была разработана группа стандартов, объединенных общим названием «IMT-2000 - «International Mobile Telecommunications 2000».
В процессе разработки этих стандартов, в рамках ITU, были сформированы два независимых объединения, получившие названия 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и 3GPP2. В первое объединение 3GPP входят ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет T1 (США), а также три региональных органа стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона - CWTS (Китай), TTA (Корея) и TTC (Япония).
Во второе партнерское объединение 3GPP2 входят ассоциация TIA (представленная подкомитетами TIA TR-45.3 и TIA TR-45.3) и ряд азиатских региональных организаций: ARIB, CWTS, TTA и TTC.
Не углубляясь в особенности работы каждой из групп, можно сказать, что группа 3GPP разрабатывает стандарты для нижней ветви направлений развития, показанной на рисунке 1 – WCDMA.
Группа 3GPP2 отвечает за стандарты направления cdmaOne (IS-95)/CDMA2000, которые в настоящее время широко распространены в США. Это направление выходит за рамки данной статьи. Подробную информацию о стандартах 3G можно найти в [3].
Группа стандартов семейства IMT-2000 включает в себя пять стандартов 3G, характеристики которых приведены в таблице 1.[4].
На рисунке 2 приведены рекомендованные диапазоны частот для различных регионов мира [5].
Рис.2. Международные частотные диапазоны для сетей 3G
Europe, Asia, USA – Европа, Азия
Existing bands – существующие сети 2G
New 3G bands – новые сети 3G
Uplink – «Вверх»
Downlink – «Вниз»
MHz – МГц
IMT-2000 – IMT-2000
Необходимо особо подчеркнуть, что спецификации 3GGP UMTS, также как и другие международные стандарты, определяют центральную базовую частоту и рекомендуют наилучший вариант полосы.
Конкретные частоты под определенные стандарты выделяются непосредственно в каждой стране контролирующими организациями в соответствии с загруженностью всего частотного диапазона.
В Российской Федерации, решением «ГКРЧ при Министерстве Информационных Технологий и Связи РФ от 23.10.2006, протокол № 06-17» для создания сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта IMT-2000/UMTS (IMT-DS и IMT-TC) выделены следующие частоты:
• 1935 - 1980 МГц;
• 2010 - 2025 МГц;
• 2125 - 2170 МГц.
При этом, минимально необходимый радиочастотный спектр для функционирования сети подвижной радиотелефонной связи стандарта IMT-2000/UMTS, составляет два непрерывных участка по 15 МГц в полосах радиочастот 1935-1980 МГц и 2125-2170 МГц для организации трех каналов в режиме частотного дуплекса (IMT-DS) и непрерывный участок (5 МГц) в полосе радиочастот 2010-2025 МГц для организации одного канала в режиме временного дуплекса (IMT-TC) [6].
В конце 2010 года ГКРЧ принял решение о выделении дополнительных частот для сетей стандарта IMT-2000/UMTS на территории Москвы и Московской области [7]:
• 890 - 915МГц;
• 935 - 960МГц;
• 1710 - 1785МГц;
• 1805 - 1880МГц.
Таким образом, в России (по крайней мере. в Москве) созданы все условия для развертывания сетей 3G, 3,5G, 4G. Следует, однако, обратить внимание на то, что возможность развертывания сети UMTS в частотном диапазоне 900/1800 МГц в РФ разрешена при наличии у сотового оператора парных полос частот 2х4,6 МГц.
В таблицах 1 и 2 приведены основные технические характеристики разрешенного для использования на территории РФ оборудования, предназначенного для сетей стандарта IMT-2000/UMTS.
Таблица.1 Основные технические характеристики РЭС стандарта IMT-2000/UMTS (IMT-DS), разрешенных для использования на территории РФ в полосах радиочастот 1935-1980 МГц, 2125-2170 МГц
Таблица 2. Основные технические характеристики РЭС стандарта IMT-2000/UMTS (IMT-TC) в полосе радиочастот 2010-2025 МГц
В проектах, разрабатываемых объединением 3GPP, задействовано два базовых радиоинтерфейса [1]:
• IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) - прямое расширение спектра (DS- CDMA) и частотный, с дуплексным разносом (FDD);
• IMT-TC (IMT-2000 Time-Code) - кодово-временное разделении каналов TDMA/CDMA с временным дуплексным разносом (TDD).
Стандарт IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) базируется на протоколах WCDMA (UTRA FDD) и предназначен для использования в парных полосах частот.
В технологии WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access используется широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов. В базовом варианте используются две широкие полосы радиочастот по 5 МГц. В документах 3GPP термин W-CDMA обозначает стандарт сотовой сети, который является надстройкой над GSM и работает в диапазоне 1900—2100 МГц.
Идея кодового разделения каналов при передаче «вниз» от базовой станции (БС) к абонентской станции (АС), сводится к следующему. На стороне базовой станции каждому из множества информационных потоков, предназначенных для некоторого числа абонентов, присваивается своя уникальная кодовая псевдослучайная последовательность. При этом бинарные информационные потоки модулируются своей собственной псевдослучайной последовательностью. Несущая частота модулируется сложным результирующим широкополосным сигналом. Канальные широкополосные сигналы складываются в суммирующем устройстве. Подготовленный таким образом пакет данных передается в эфир.
Абонентская станция знает кодовую последовательность, предназначенную только для нее. Принятый сигнал преобразуется из высокочастотного в низкочастотный и поступает на вход коррелятора. На другой вход коррелятора синхронно поступает кодирующая псевдослучайная последовательность. Полезный сигнал на выходе коррелятора возникает только в том случае, когда в сложном сигнале присутствует заранее заданная псевдослучайная последовательность.
В стандартах IMT-2000 для систем 3G использованы методы FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex). Разделение каналов по времени подразумевает передачу каждого бинарного потока строго в своем временном окне. Временное разнесение прямого и обратного каналов связи в ряде случаев имеет множество преимуществ над частотным.
Совместное использование этих двух методик позволяет изменять пропускную способность и способы организации связи. Достигается это за счет того, что парные полосы частот выделяются для систем, с частотным дуплексным разносом (FDD), а непарные - для систем с временным дуплексным разносом (TDD).
При больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов, метод FDD более эффективен. Вариант TDD предназначен для случаев, когда абонент передвигается с невысокой скоростью [3].
В стандартах мобильной связи 3G термин UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) означает название радиоинтерфейса наземного доступа в систему UMTS. Поскольку существуют раздельные стандарты для оборудования наземного, морского и космического базирования, то термин Terrestrial подчеркивает категорию размещения именно на суше.
Отмеченный выше радиоинтерфейс TDMA/CDMA предназначен для организации связи в непарных полосах частот и представляет собой удачное сочетание двух различных технических решений - европейского предложения UTRA TDD и китайского TD-SCDMA.
Этот вариант используется также в тех странах, которые ориентируются, в качестве опорной, на технологию GSM.
Отметим, что на сегодняшний день в наиболее популярных версиях мобильных телефонов используется стандарт W-CDMA (IMT Direct Spread).
Стандарт DECT EP (ETSI) объединяет две технологии - широкополосный доступ WCDMA и комбинированный доступ TDMA/CDMA .
3. Технология сетей мобильной связи UMTS
Специально для Европы Европейским Институтом ETSI [3 - 4] была разработана технология UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) – «универсальная мобильная телекоммуникационная система».
Практически UMTS является европейской версией концепции IMT-2000. Технология WCDMA здесь применятся в качестве радиоинтерфейса.
Необходимо подчеркнуть, что UMTS и WCDMA это два различных понятия, хотя в настоящее время их употребляют в качестве синонимов.
Технологию UMTS часто рассматривают, как переходный вариант между существующими 2G и разрабатываемыми технологиями 3G - 4G. Иными словами, технология UMTS позволяет осуществить более мягкий переход на следующий этап развития сетей мобильной связи без заметного изменения существующего оборудования.
В UMTS в качестве базовой магистральной сети используется GSM MAP, а в качестве сетей радиодоступа применяются комбинированные сети GSM/EDGE и WCDMA.
Сети WCDMA надстраиваются над существующими сетями GSM. При этом сети GSM и WCDMA работают параллельно. Абонентская станция автоматически переключается между сетями
Первая редакция спецификации UMTS получила название 3GPP R99 [5].
Технология UMTS объединяет в себе две различных методики передачи радиосигнала: «GSM's Mobile Application Part» и «GSM family of speech codecs».
Для наземных передающих устройств, использующих UMTS, регламентируются несколько интерфейсов, получивших название «UMTS Terrestrial Radio Access (UTRA)».
Спецификация 3GPP Release 4 ввела в стандарт шлюзы среды, сервер центра коммутации подвижной связи (MSC) и шлюз сигнализации (SGW MGW). Это позволило логически разделить пользовательские данные и информацию сигнализации в MSC.
Кроме того, в этой спецификации подробно описан универсальный базовый блок радиодоступа к сети UMTS – UTRAN. Также реализована поддержка высоких скоростей передачи данных даже до 2 Мбит/с.
В настоящее время существует одиннадцать спецификаций 3GPP. Особенности каждой из них будут отмечены ниже.
Рис. 3. Архитектура UMTS
В архитектуре UMTS выделяют три основных функциональных блока:
• Блок радио доступа к сети UMTS «Universal Terrestrial Radio Access Network –UTRAN»;
• Сервисный блок « Service»;
• Центральный блок «Core Network - CN».
Структурная схема блока UTRAN показана на рисунке 4 [5].
Рис.4. Структурная схема UTRAN
На рисунках 3 и 4 использованы следующие обозначения:
• UTRAN -Universal Terrestrial Radio Access Network: универсальный базовый блок радиодоступа к сети UMTS;
• Service: сервисный блок;
• Core Network - CN: блок опорной сети;
• UE - User Equipment: оборудование пользователя;
• SGSN - Serving GPRS Support Node: базовая подстанция поддержки GPRS;
• MSC Server - Mobile Services Switching Centre: сервер поддержки коммутаторов мобильной связи;
• MGW - Media gateway: сетевой шлюз;
• NodeB - базовая станция.
Символами Iu, Uu, Iub, Iur, Iubc, Iups, Iucs Iub на рисунках 1 и 2 обозначены внешние, внутренние и вспомогательные интерфейсы, обеспечивающие связь UTRAN с другим оборудованием.
Блок UTRAN объединяет два элемента: базовую станцию (Node B) и радио контроллер сети (Radio Network Controllers RNC). Этот блок отвечает за функционирование всех радиочастотных каналов и модулей в сети UMTS.
Сетевой контроллер (Radio Network Controllers - RNC) обеспечивает функциональность одной или нескольких базовых станции и может быть смонтирован непосредственно в оборудовании базовой станции. Несмотря на то, что в данном варианте реального физического интерфейса фактически нет, для удобства стандартизации вводится понятие логического интерфейса между базовой станцией и контроллером, обозначаемое, как «Iub». Стандарты не прописывают подробно особенности самих блоков сети. Но при этом регламентируются логические и физические интерфейсы между элементами сети. В большинстве случаев RNC расположен на центральном диспетчерском пункте и используется для одновременного контроля нескольких районных базовых станций.
Совокупность двух элементов, состоящую из базовой станции и соответствующего ей контроллера RNC, в структурной модели UMTS называют подсистемой сети (Radio Network Subsystem - RNS). Таких подсистем в одном базовом блоке UTRAN может быть несколько.
В архитектуре UMTS рассматриваются следующие интерфейсы, с помощью которых базовый блок UTRAN взаимодействует с другими элементами сети:
Iu – внешний интерфейс между блоком опорной сети (CN) и контроллером RNC;
Uu – внешний радиоинтерфейс WCDMA между базовой станцией и абонентским оборудованием;
Iub – внешний интерфейс между базовой станцией и RNC;
Iur – внутренний интерфейс между двумя RNC;
Iubc – вспомогательный интерфейс между оборудованием пользователя и RNC;
Iups - вспомогательный интерфейс между оборудованием GSM/GPRS и RNC;
Iucs - вспомогательный интерфейс между коммутаторами и RNC.
Внешний радиоинтерфейс Uu определяет параметры мобильных абонентских станций (MS), которые предназначены для сетей 3G. Интерфейс Iu является открытым, что позволяет использовать в сетях UMTS оборудование разных производителей.
Интерфейс Iur, являсь открытым, позволяет реализовать мягкую эстафетную передачу абонента между станциями, оснащенными различным оборудованием. В сетях UMTS предусмотрена защита от обрывов связи в движении, за счёт использования метода «мягкого хэндовера». Например, если автомобиль движется по трассе с равномерно распределенными базовыми станциями, то при удалении от одной базовой станции связь с клиентом постепенно берет на себя ближайшая соседняя. При этом, соединение не прерывается скачком, как в сетях GSM. Естественно, что эта функция действует только в зонах с хорошим покрытием сети.
Интерфейс Iub разработан, как полностью открытый, специально для того, чтобы привлечь инвестиций производителей оборудования в развитее сетей 3G.
Блок опорной сети включает в себя традиционное оборудование сетей GSM/GPRS, такое например, как:
• Транскодер (TRAU – Transcoder and Rate Adaptation Unit);
• Адресный регистр - Home Location Register (HLR);
• Визитный регистр - Visitor Location Register (VLR);
• Центр коммутации подвижной связи - Mobile Services Switching Centre (MSC);
• Шлюз для выхода на другие сети - Gateway Mobile Switching Centre (GMSC);
• Блок поддержки GPRS - Serving GPRS Support Node (SGSN);
• Контроллер базовых станций – Base Station Controller (BSC).
Контроллер базовых станций распределяет канальный ресурс, коммутирует каналы, организует эстафетную передачу (handover), осуществляет сбор и передачу телеметрии в подсистему управления и обслуживания.
Транскодер осуществляет кодирование и декодирование речевых сигналов со сжатием.
Адресный регистр представляет базу данных обо всех абонентах данного оператора. Гостевой регистр содержит данные об абонентах, находящихся в зоне действия сети.
Наиболее важные операции, которые выполняются в блоке базовой сети (CN) в общем случае сводятся к подключению мобильной абонентской станции (MS) к сети, ее пейджинга, селекции сот и локализации абонента, реализации входящих и исходящих вызовов и эстафетной передачи абонента между базовыми станциями. Базовая сеть (CN) логически разделяется на домен CS и домен PS.
Основная функция базовой станции UMTS заключается в обработке радиосигналов, канальном кодировании и адаптации скорости, расширении спектра и т.д. Кроме того, базовая станция выполняет одну из основных операций по управлению мощностью в внутреннем контуре.
Центр коммутации мобильной связи, входящий в состав блока базовой сети CN подключает сеть UMTS/GSM к различным внешним сетям, которые можно разделить на две группы: сети с коммутацией каналов (телефонные сети) и сети с коммутацией пакетов данных (Интернет).
Поскольку центр коммутации (MSC) согласовывает работу системы радиосвязи со стационарными сетями, он выполняет все функции, необходимые для коммутации каналов, а также отвечает за управление соединением. Кроме того, центр коммутации должен выполнять процедуры, необходимые для регистрации местоположения, а также процедуры, необходимые для передачи обслуживания.
Чтобы обеспечить архитектуру CS, не зависящую от носителя в блоке CN вводятся шлюз среды MGW, обеспечивающий передачу пользовательских данных, и сервер MSC для обеспечения сигнализации. Такой подход дает возможность использовать универсальные IP – сети и создавать среды обслуживания, независимые от устройства коммутации.
В архитектуре UMTS шлюз MGW является оконечным пунктом транспортной сети PSTN/PLMN и связывает UTRAN с CN через интерфейс Iu.
В настоящее время существуют два основных типа сетей доступа: BSS - используется для сетей доступа GSM, GPRS и EDGE (GERAN), а RNS - используется для доступа WCDMA.
Сеть доступа GERAN может быть подключена к базовой сети (CN) либо через два традиционных интерфейса (A-интерфейс и интерфейс Gb), либо через интерфейсы Iu. Интерфейс Iups реализует связь между GERAN и доменом PS базовой сети
Интерфейс Iucs используется для взаимодействия между GERAN и доменом коммутации каналов (CS) базовой сети.
В сетях UMTS предусмотрена функция QoS (Quality of Service) с несколькими приоритетами: разговорный, потоковый, интерактивный, фоновый.
Рассмотренная выше архитектура сетей UMTS показывает, что при переходе к сетям 3 G необходима замена как абонентских терминалов, так и подсистемы базовых станций.
Кроме того, необходимо будет заменить значительную часть устаревшего оборудования, которое в настоящий момент используется на уровне опорных сетей.
Существенным отличием в архитектуре сети является разделение коммутатора на два независимых уровня - уровень коммутации и уровень обработки сигнализации и контроля услуг.
Все это говорит о том, что для перехода к сетям 3G и 4G потребуется серьезная модернизация абонентских терминалов и подсистемы базовых станций. Для реализации этих целей потребуются инвестиции и новые электронные компоненты.
Независимое параллельное развитие сетей UMTS наряду с существующими сетями 2G, требует огромных денежных средств. Поэтому разработчики стационарного оборудования и мобильных абонентских станций (MS) стараются искать совместимые решения, пригодные для использования в старых сетях 2G, а также в сетях нового поколения.
Эффективность сетей радиодоступа обусловлена возрастом использованных при ее создании технологий. В России базовые сети построены не так давно, поэтому они могут быть использованы для внедрения современных технологий ЗG. Вероятнее всего инфраструктура базовых сетей будет развиваться эволюционным путем, опираясь на существующие сети GSM, TDMA (IS-136), IP, IN и ISDN [2].
В настоящее время в качестве магистральных сетей применяются сети, использующие IP-технологии. Кроме того, модернизируются опорные сети GSM MAP и ANSI-41, которые были созданы для последних модификаций стандартов мобильной связи 2G-го поколения GSM/GPRS/EDGE. При этом, в большинстве случаев взаимодействие между тремя магистральными сетями - GSM MAP, ANSI-41 и базовой IP-сетью осуществляется через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network Interface).
Сегодня все ведущие изготовители базовых модулей для MS выпускают совмещенные GSM/UMTS модули. Сотовые телефоны и терминалы, созданные на базе этих модулей, могут работать, как в сетях GSM/GPRS/EDGE, так и в сетях 3G.
Со своей стороны, производители оборудования для базовых станций выпускают переключаемые программные коммутаторы (Soft Switch), способные одновременно обслуживать базовые станции GSM и UMTS.
В качестве примера можно привести разработки фирмы Huawei Technologies. Коммутационные платформы MSoftX3000 этой компании позволяют уменьшить капитальные вложения в развитие UMTS за счет того, что могут работать в сетях GSM, и UMTS сетях. Таким образом, устанавливая подобное оборудование в существующие сети GSM/GPRS, оператор окупает инвестиции в опорную сеть 3G за счет реальных абонентов сети 2G и таким образом избавляет себя от инвестиционных рисков.
4. Технология High Speed Downlink Packet Access (HSDPA)
Рабочая группа 3GPP постоянно совершенствует стандарты IMT-2000/UMTS.
Технология HSDPA принадлежит к семейству решений WCDMA/UMTS, использующих пакетную передачу данных и полностью совместима с UMTS Release 99. Это позволяет одновременно предоставлять сервисы голосовой связи и передачи данных UMTS и HSDPA. Последняя модификация технологии HSDPA позволяет получать максимальную теоретическую скорость передачи данных до 21 Мбит/с в режиме «downlink transfer» (от базовой к мобильной станции MS).
Фактически, HSDPA является «надстройкой» к сетям UMTS, поэтому ее нередко называют поколением 3,5G.
Необходимо подчеркнуть, что протоколы HSDPA поддерживают только передачу данных от базовой станции к мобильной абонентской станции (MS), получившую название «нисходящая передача данных». Обратная передача данных от абонентской станции к базовой станции описывается протоколами HSUPA. Подробнее об этом будет сказано ниже.
В спецификации 3GPP Release 5 была впервые опубликована архитектура технологии HSDPA [8]. В данном документе для HSDPA описаны алгоритмы адаптивной модуляции и кодирования AMC (Adaptive Modulation and Coding) и модернизированный метод автоматического запроса повторной передачи ARQ (Automatic Request for Repeat).
Отметим, что в Release 5 описаны протоколы IP версии 6 (IPv6). В этой версии добавлена также подсистема IP - мультимедиа (IMS). Домашний регистр (HLR) дополнен сервером собственных абонентов (HSS). В структуре UTRAN прописаны эффективные услуги мультимедиа на базе IP в UMTS. Кроме того, усовершенствована поддержка функции по определению местоположения (LCS).
Для технологии HSDPA в спецификации стандартов 3GPP Release 5 используется новый транспортный канальный уровень «High-Speed Downlink Shared Channel (HS-DSCH)». В одном поддиапазоне возможна организация до 15 таких каналов с фактором распределения 16. Перераспределение каналов под задачи конкретных пользователей изменяется каждые 2 мс.
Реализация этого уровня стала возможной за счет введения в стандарт трех новых физических каналов:
HS-SCCH - High Speed-Shared Control Channel: высокоскоростной контрольный канал информирует пользователя о том, что данные отправлены на HS-DSCH (два верхних слота);
HS-DPCCH - Uplink High Speed-Dedicated Physical Control Channel: канал для подтверждения информации о доставке текущего контроля качества передачи;
HS-PDSCH - High Speed-Physical Downlink Shared Channel: канал по которому физически передаются данные пользователя. При этом данные передаются в виде избыточного кода, содержащего собственно данные и дополнительные информационные биты.
В технологи HSDPA реализован метод ARQ -механизм защиты от помех, при котором передача данных происходит по блокам. На приемной стороне обеспечивается контроль ошибок и генерация запроса о необходимости повторения той части информации, где обнаружены ошибки. В случае некорректного приема данных, в новой технологии FHARQ (Fast Hybrid Automatic Repeat Request) подтверждение приема пакетов отслеживается, как базовой станцией, так и абонентской станцией. Повторные пакеты чередуются с вновь передаваемыми пакетами.
Оцифрованная информация мультиплексируется и кодируется для передачи по соответствующему физическому каналу. Схема мультиплексирования с временным и кодовым разделением в канале HS-DSCH, объединяющим три транспортных канала DCH 1-3.приведена на рисунке 5.
Рис.5 Схема мультиплексирования с временным и кодовым разделением в канале HS-DSCH
В технологии HSDPA применяются схемы модуляции QPSK (Quadrature Phase-Shifting Keying) квадратурная фазовая модуляция и 16, 64 - QAM (Quadrature Amplitude Modulation) квадратурная амплитудная модуляция.
При использовании QPSK, в зависимости от значения информационного элемента, изменяется только фаза сигнала, в то время как амплитуда и частота не меняются. При этом, каждому информационному биту ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения (рис. 6).
Рис.6 Принцип фазовой модуляция цифрового сигнала
В квадратурной фазовой модуляции используются четыре значения фазы несущего колебания. В этом случае фаза сигнала должна принимать четыре значения:: 45°, 135°, 225° и 315°, размещенных на равных расстояниях на окружности. При использовании четырех фаз, в QPSK на символ приходится два бита. Хотя QPSK можно считать квадратурной манипуляцией (QAM - 4), иногда её проще рассматривать в виде двух независимых модулированных несущих, сдвинутых на 90°. При таком подходе чётные (нечётные) биты используются для модуляции синфазной составляющей, а нечётные (чётные) — квадратурной составляющей несущей. В схеме QPSK фаза несущего колебания меняется скачкообразно в зависимости от информационного сообщения. Фазовая модуляция QPSK обеспечивает высокую помехоустойчивость. Однако в ряде случаев за счет уменьшения помехоустойчивости канала связи можно увеличить его пропускную способность. Более того, при применении помехоустойчивого кодирования можно более точно планировать зону, охватываемую системой мобильной связи.
В другом случае, после канального кодирования и перемежения битов производится преобразование информации с помощью модуляции 16 - QAM (Quadrature Amplitude Modulation) в так называемые «QAM-ячейки».
В этих случаях каждому комплексному символу модуляции соответствует гармоническое колебание, имеющее одно из 4, 16 или 64 возможных сочетаний амплитуды и начальной фазы или такое же количество кодовых комбинаций, каждая из которых соответствует определенному варианту гармонического колебания. Например, в случае квадратичного амплитудного преобразования 4 – QAM получим двоичную кодовую комбинацию, содержащую 2 бита (00, 01, 10, 11).
В случае 16 - QAM такие комбинации содержат по 4 бита информации, а в случае 64-QAM – по 6 битов.
Стандартами UMTS/HSDPA. предусмотрено 20 категорий с различными значениями максимального числа одновременно используемых кодов (до 15), и типом модуляции в радиоканале (QPSK или QAM). Каждой из этих комбинаций соответствует максимальная скорость передачи данных в пакетном режиме стандарта HSDPA в низходящем направлении (от базовой станции к мобильному терминалу).
Таблица 3. Cкорость передачи в технологии HSDPA в зависимости от типа используемой модуляции
При увеличении числа позиций QAM увеличивается пропускная способность канала связи в логарифмической пропорции log264/log216/log24. Однако при этом снижается помехоустойчивость, поскольку уменьшаются разности между смежными значениями амплитуд и фаз.
Пропускная способность каналов связи и скорость передачи зависит от фактора распределения (spreading factor), который определяет количество каналов связи, закодированных в один поддиапазон.
Теоретически, UMTS/HSDPA позволяет назначить три таких «нисходящих» канала для одного абонента. Однако, на практике не стоит забывать о том, что чем больше число пользователей, тем меньше пропускная способность.
На рисунке 7 показано распределение спектра между абонентами сети HSDPA [10]. Как правило, одной и той же сетью пользуются одновременно несколько абонентов. Скорость передачи постоянно меняется, система следит за этим, и с интервалом в 2 мс, автоматически регулирует мощность, подстраиваясь под условия среды. При этом приоритет предоставления каналов для получения данных от базовой станции отдается тем пользователям, для которых поддерживается наилучшее качество сигнала. Поэтому пользователи, которые первыми получили доступ к сети в то время пока, уровень сигнала невысок, находятся в состоянии ожидания улучшения пропускной способности.
Рис. 7 Распределение спектра между абонентами в зависимости от условий приема
Дополнительную информацию о технологии HSDPA можно найти в [11, 12].
5. Технология High-Speed Uplink Packet Access (HSUPA)
Для того, чтобы регламентировать параметры абонентских станций и определить порядок их взаимодействия с базовыми станциями, была разработана технология HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) - высокоскоростная пакетная передача данных в направлении «Вверх – от абонента к базовой станции ».
Работу над проектом HSUPA группа 3GPP начала еще в 2002 году. Идея стандарта была сформулирована фирмами Nokia, Samsung, Sonny Ericson и другими лидерами мирового рынка мобильных телефонов и звучала, как «максимальная скорость при максимальном радиусе действия и минимальном энергопотреблении». Эта идея была технически сформулирована в
3GPP Release 6.
К сожалению, принципиальные различия между передачей данных «вверх» (от абонентской станции к базовой) и «вниз» (от базовой станции к абонентской) явились непреодолимым препятствием для того, чтобы просто взять и использовать всю архитектуру и профили технологии HSDPA для мобильных абонентских станций (мобильные бытовые телефоны, базовые модули и законченные терминалы).
Основная проблема в согласовании процессов передачи «вверх» и «вниз» заключается в потребляемой мощности. На базовой станции отбираемая мощность передатчика не ограничена в пределах действующих нормативов. Поэтому разработчики оборудования для базовых станций могут совершенствовать технологии передачи, не задумываясь о проблемах потребляемой мощности. Для бытовых мобильных телефонов, которые составляют основную часть этого рынка, потребляемая мощность является одним из основных критериев выигрыша в конкурентной борьбе.
При разработке HSUPA использованы методы, как временного, так и канального кодирования. Поскольку значительная часть энергопотребления базовой станции HSDPA приходится именно на эти блоки модуляции, данный метод в чистом виде не может быть использован для HSUPA. Поэтому, в технологии HSDPA была введена функция коррекции мощности передачи в зависимости от условий среды. Это позволяет сохранить скорости передачи при перегрузках в сети в условиях интенсивных помех. Но это оборудование тоже достаточно энергоемкое.
Проблема энергопотребления возникает и при рассмотрении метода модуляцией. При использовании квадратурной амплитудной модуляции, для улучшения пропускной способности нужно увеличивать уровень модуляции, но при этом возрастает сложность оборудования и энергопотребление.
Другая проблема связана с поэтапной передачей движущейся абонентской станции (soft handover). В этом случае принимающая базовая станция должна отслеживать меняющийся сигнал движущегося клиента и передавать его другой станции, обеспечивающей лучшие условия приема.
Согласно основному варианту спецификации Relaese 6, в технологии HSUPA использованы модифицированные принципы, использованные при разработке технологии HSDPA. Однако, технология передачи данных «Вверх» отличается от технологии передачи «Вниз».
В редакции HSUPA 3GPP Release 6 внесены перечисленные ниже изменения по сравнению с предыдущей версией Release 5.
1. Добавлены новые объекты МАС уровня (управления доступом к среде передачи данных):
• MAC-e/es в блоке абонентской станции (АС);
• MAC- es в блоке базовой станция;
• MAC es на контроллере радиосети.
2. В транспортном канале введен новый расширенный выделенный канал передачи данных E-DCH.
3. Добавлен физический каналы: E DPCH (Dedicated Physical Channel) – выделенный физический канал. В нем мультиплексированы два физических канала, DPDCH (Dedicated Physical Data Channel – выделенный физический канал передачи данных) и DPCCH (Dedicated Physical Control Channel – выделенный физический канала управления). Кроме того добавлены расширенный канал индикации сообщения о доставке (E-HICH), управляющий канал регулировки мощности относительно опорного уровня (E-RGCH), канал для автоматического регулирования абсолютного значения мощности абонентской станции (E-AGCH)
4. Время инкапсуляции и формирование пакетов данных сокращено до 2 мс. Однако оставлена возможность использования и TTI, равное 10 мс.
5. Значение коэффициента расширения (SF) принято равным 2.
6 Увеличена скорость повторной передачи на первом уровне.
7. Для контроля факта доставки данных использован гибридный метод HARQ.
8. Введено жесткое управление доступом к эфиру и скоростью передачи со стороны базовой
9. Реализованы новые протоколы фрейма, ускоряющие работу нинтерфейсов Iub и Iur . Интерфейс Iub соединяет базовую станцию с блоков контроллеров. Интерфейс Iur поддерживает сигнальный протокол RNSAP (Radio Network Subsystem Application Part) По этому интерфейсу организуют связь между обслуживающим контроллером (Serving) SRNC и пассивным контроллером (Drift DRNC). При выполнении хэндовера SRNC осуществляет управление радиоканалами (radio link mapping).
В технологии HSUPA для передачи данных от абонента к базовой станции применяются расширенные выделенные каналы (Uplink Enhanced Dedicated Channel - UE DCH), которые позволяют использовать тот же метод линейной адаптации (Link Adaptation Method - LAM), что и в технологии HSDPA. В свою очередь этот метод дает возможность реализовать в технологии HSUPA модель ортогонального частотного разделения каналов. При этом последовательный поток информации разбивается на отдельные блоки и символы. Символы разных блоков передаются параллельно, каждый на своей поднесущей частоте. Преимущество данного метода состоит в том, что он позволяет снизить до минимума межсимвольные искажения, возникающие в радиоканале. За счет уменьшения размеров блока данных удалось сократить время инкапсуляции и формирование пакетов данных.
На первом уровне в структуре HSUPA введены новые физические каналы:
E-AGCH (Absolute Grant Channel)– канал с абсолютным значением ограничения мощности абонентской станции, определяющий опорный уровень;
E-RGCH (Relative Grant Channel) – канал регулировки мощности относительно заданного значения;
F-DPCH (Fractional-DPCH) – частичный выделенный физический канал, который является модернизированным вариантом канала DPCCH, адоптированным для высокоскоростной пакетной передачи данных вверх;
E-HICH (E-DCH Hybrid ARQ Indicator Channel) – индикаторны канал;
E-DPCCH (E-DCH Dedicated Physical Control Channel) – контрольный канал передачи данных;
E-DPDCH (E-DCH Dedicated Physical Data Channel) – контрольный канал состояния данных.
В стандарте HSUPA модернизированы протоколы, обеспечивающие управление ресурсами канала и отвечающие за установление, поддержание и разрыв низкоуровневых соединений, динамический выбор частотных каналов и др.
В блоке абонентской станции на уровне МАС добавлен подуровень который отвечает за контроль доставки и покадровый формат данных в процессе передачи данных.
В блоке базовых станций также введены изменения в уровне, контролирующем факт получения данных.
В блоке контроллеров (S-RNC) добавлен уровень (MAC-es), поддерживающий повторный запрос на получение данных в случае ошибки. Кроме того, этот уровень обеспечивает совместную обработку данных, полученных от базовых станций в процессе эстафетной передачи (handover) для одного и того же абонента.
Для ускорения работы интерфейсов Iub/Iur также добавлен новый протокол.
В технологии HSUPA изменены протоколы МАС (протоколы управления доступом к среде передачи), для базовой станции (MAC-e), для абонентской станции (MAC-e/es ) и для блока управляющих контроллеров (MAC-es). .
Протокол MAC–e структурирован в блоке базовой станции. Этот протокол вводится отдельно для каждой абонентской станции и регулирует ее взаимоотношения с базовой станцией. В рамках этого протокола абонентская станция запрашивает разрешение на связь с базовой станцией и управляет работой повторной передачи в случае ошибки.
Протокол MAC-es в обслуживающем контроллере также вводится персонально для каждой абонентской станции и выполняет следующие функции:
1. Объединяет и преобразовывает протокольный блок данных (Protocol Data Unit) уровня MAC-es в соответствии с кодировками и номерами каждого кадра и подкадра.
2. Поддерживает операцию дизассемблирования протокольного блока данных MAC-es .
Протокол MAC-e/es для абонентской станции отвечает за следующие процессы:
1. Сопровождение метода гибридного контроля за подтверждением получения данных.
2. Мультиплексирование данных и присвоение идентификациооного кодовой последовательности абонента (Transmission Sequence Number – TSN).
3. Выбор транспортного формата передачи данных на основе полученного статуса выхода в эфир.
При передаче данных от абонента к станции, когда используется расширенный выделенный канал, два кодированных композитных транспортных канала CCTrCH используются одновременно. Транспортный канал может быть сконфигурирован так, что время инкапсуляции (интервал передачи) было бы или 10 мс или 2 мс. При этом заданный интервал передачи 10 мс обязательно должен поддерживаться всеми абонентскими станциями, допущенными для работы в сети, а интервал передачи 2 мс является опционным.
Каждая абонентская станция может иметь только один транспортный выделенный канал передачи данных в конкретный момент времени.
Транспортный блок E-DCH (расширенный выделенный канал) на физическом уровне нагружен на канал E-DPDCH, который работает со временем инкапсуляции 10 мс или 2 мс. В основополагающей спецификации Release 6 для канала E-DPDCH используется модуляция QPSK. В спецификации Release 7 есть возможность использовать 4 -PAM модуляцию (Pulse amplitude modulation - импульсная амплитудная модуляция). Различные модификации модуляций отражены в последующих спецификациях Release 8-11.
Поскольку для при передаче данных по DPCCH, сначала передаются вспомогательные символы и последовательность символов (RSN), то на уровне E-DPDCH не может быть передана никакая другая информация, кроме полезных символьных данных.
Для увеличения скорости передачи в канале E-DPDCH используются комбинации мультикодов. При этом используются ортогональные коды с переменным коэффициентом расширения, равным 2. В принципе, возможны и другие варианты кодов с переменной длиной, определяемой коэффициентом расширения спектра SF. Такие коды формируются на основе заданного алгоритма, и каждый последующий уровень удваивает число возможных кодовых комбинаций. Различные наборы кодов обуславливают различные скорости передачи. Так, например, один код с коэффициентом расширения SF4 соответствует скорости передачи 960 Кбит/с. Два кода с коэффициентом расширения SF4дают скорость 1920 Кбит/с. Два кода с коэффициентом расширения SF4 и два кода с коэффициентом расширения SF4 увеличивают скорость до 5760
Выделенный контрольный канал (E-DPCCH) предназначен для переноса информации о подтверждении получения переданных абонентской станцией данных. /
По этому каналу передается перечисленной ниже информация.
1. Информация о расширенном транспортном формате передачи данных, которая составляет последовательность 7 битов длиной, определяет скорость передачи данных.
2. Дополнительные 2 бита, содержащие данные о повторной передаче. При этом RSN сообщает, является ли пакет новым или повторной передачей ранее переданного пакета.
3. Последний 1 бит – дает разрешение или запрещение абонентской станции использовать более высокую скорость передачи по направлению «вверх» (передача данных от абонента к станции).
Для случая, когда время инкапсуляции равно 2 мс, десять информационных битов закодированы в 30 битах трех последовательных временных интервалов.
В варианте со временем инкапсуляции, 10 мс, контент подкадров с TTI, равным 2 мс, просто продублирован пять раз.
Выделенный канал индикации сообщения о доставке (Hybrid ARQ Indicator Channel HICH) может совместно быть использован несколькими пользователями одновременно. Для того, чтобы различать сигналы каждого пользователя в сетях с кодовым разделением используются специальные кодовые последовательности символов, называемые индивидуальными ортогональными подписями. В сетях HSUPA каждому пользователю выделяется одна ортогональная подпись для канала E-HICH и одна для канала E-RGCH (управляющего канала регулировки мощности передачи данных). Поскольку на канале HICH доступно всего 40 ортогональных подписей, то только 20 пользователей могут использовать тот же самый кодовый канал в каждый определенный момент времени.
Управляющий канал относительной регулировки мощности для абонентской станции (Relative Grant Channel E-RGCH) предназначен для того, чтобы повысить или понизить выходную мощность передатчика абонентской станции (АС). По данному каналу не передается точное значение мощности, которую абонентская станция должна установить. Базовая станция (БС) отслеживает сигнал АС и регулярно сообщает ей текущий статус, относительно которого АС должна регулировать свою работу. В случае если связь ухудшается, БС выдает команду на увеличение мощности передачи АС. В том случае, когда абонентов в сети мало и сигнал АС достаточно сильный, БС посылает управляющий сигнал на уменьшение мощности.
Канал абсолютной регулировки мощности (Absolute Grant Channel, E-AGCH) предназначен для того, чтобы установить верхний предел мощности передатчика абонентской станции, который может быть задействован в данный конкретный момент.
Максимальная мощность напрямую связана с максимальной скоростью передачи данных. В отличие от метода относительного регулирования мощности, абсолютное ограничение задается достаточно редко, когда АС запрашивает канальные ресурсы и когда устанавливается несущая частота.
По каналу E-AGCH базовая станция передает два вида сообщения:
1. Точное значение уровня ограничения мощности (Absolute Grant value);
2. Характер ограничения мощности (Scope AG).
Характер ограничения мощности указывает на то, будет ли значение Absolute Grant использоваться только в методе гибридного контроля подтверждения получения данных (HARQ) или будет использоваться также в других процессах.
При запросе на установление соединения с базовой станцией абонентская станция передает информацию о своих технических возможностях. В зависимости от этих технических возможностей, базовая станция устанавливает для конкретной АС соответствующий режим связи.
В технологии HSUPA использована методика гибридного метода автоматического запроса повторной передачи ARQ (Hybrid Automatic Request for Repeat - HARQ). Базовым в этом варианте является метод «Stop and Wait», который означает, что перед началом трансляции нового блока данных передатчик ожидает подтверждения успешного приема предыдущего блока данных.
Как правило, этот метод используется в режиме OFDMA, который позволяет выделить специальный канал для подтверждения передачи. Если HARQ включен, каждый пакет, переданный базовой станцией, требует от абонентской станции подтверждения получения по специальному обратному каналу. В тех случаях, когда получено сообщение об ошибке или подтверждение успешного приема не получено в установленный срок, базовая станция приступает к повторной передаче. С этой целью можно использовать два метода. В одном случае применяется так называемый метод передачи с увеличивающейся избыточностью (Incremental Redundancy – IR). При подключении функции HARQ, для каждого исходного пакета в канальном кодере формируется до четырех субпакетов, каждый со своим идентификатором (SPID). Если произошел сбой, повторно транслируется субпакет с другим SPID , который имеет тот же самый кодированный исходный пакет, но с иными параметрами кодера. В методе с «управляемым комбинированием» (Chase Combining – СС), в случае возникновения ошибки, осуществляется повторная трансляция одного и того же кодированного пакета. Этот метод может использоваться только с мобильными абонентскими станциями.
В варианте HSUPA при передаче от абонентской станции к базовой, как отмечалось выше, используется принцип приоритетов. Первоначально абонентская станция запрашивает разрешение на начало передачи. Базовая станция принимает решение, сколько и какие именно станции будут участвовать в сеансе связи. Также в режиме передачи «Вверх» реализован вариант работы по расписанию «scheduled mode», при котором абонентская станция выходит на связь в заранее оговоренное время. Предусмотрен режим работы в экстренных случаях.
Следует также отметить улучшенную систему контроля качества передачи данных (QoS). Блок контроля качества может обслуживать до 15 логических каналов, которые мультиплексируются на одном PDU уровне. При этом у каждого логического канала могут быть свои различные значения QOS и различные приоритетные уровни.
В настоящее время стандарты 3GPP (Realease 6, 7, 8, 9, 10, 11) регламентируют девять категорий технологии HSUPA, которые определяются различным набором параметров. Эти категории определяют технические характеристики и свойства конкретной абонентской станции (мобильного телефона или терминала). Категории мобильных абонентских станции, поддерживающих технологию HSUPA, показаны в таблице 4 [14]. Видно, что скорость передачи данных определяется комбинацией базовых параметров оборудования, таких, как CT, SF, TTI, MTW TTI.
Таблица 4. Скорость передачи в технологии HSUPA для различных категорий абонентских станций
Данные таблицы показывают, что чем выше категория абонентской станции, тем выше и ее скорость передачи. Максимальная теоретическая скорость, с которой абонентская станция может передавать данные на базовую станцию, на сегодняшний день составляет 23 Мбит/с. Однако, это теория. Еще раз подчеркнем, что скорость передачи является переменной величиной, которая в каждый конкретный момент времени зависят от возможностей абонентской станции (мобильного телефона, смартфона, базового модуля), оборудования базовой станции и от загрузки сети.
6. Высокоскоростные сети с поддержкой пакетной
передачи данных High Speed Packet Access - HSPA
Термин HSPA (High-Speed Packet Access) - высокоскоростная пакетная передача данных объединяет в одно название две рассмотренные выше технологии:
• HSDPA (передача данных от базовой станции к абоненту);
• HSUPA (передача данных от абонента к базовой станции).
Подробно технологии HSDPA и HSUPA рассмотрены в разделах 4 и 5 данной статьи.
В стандарте 3GPP Release 8 была разработана усовершенствованная технология, получившая название Dual-Cell HSDPA.
Теоретически, этот метод позволяет удвоить скорость передачи данных от базовой станции к абоненту за счет использования удвоенной пропускной способности. Идея технологии Dual-Cell HSDPA заключается в том, что в сети HSDPA используются две различных радиочастоты. Если задействовать их одновременно для передачи данных, то появляется возможность получить два одновременных канала передачи данных «вниз». Сама идея напоминает методику, которая используется в некоторых маршрутизаторах Wi-Fi.
Как было отмечено в разделе 2 данной статьи, в сетях третьего поколения выделяются непрерывные полосы частот в определенном частотном диапазоне. Например, в России две непрерывных полосы по 15 МГц в диапазонах 1935 – 1980 МГц и 2125 -2170 МГц выделены для организации трех каналов в режиме частотного дуплекса (IMT-DS).
Непрерывный участок шириной 5 МГц в полосе радиочастот 2010-2025 МГц отведен для организации одного канала в режиме временного дуплекса (IMT-TC).
Существуют сценарии, когда одна из полос остается свободной в течение некоторого промежутка времени. Технология Dual-Cell HSDPA позволяет ее задействовать в качестве дополнительного канала передачи данных.
В стандарте 3GPP Release 9 регламентирована технология «HSPA+» (Evolved High-Speed Packet Access), представляющая собой улучшенный вариант HSPA, в котором добавлены более сложные модуляции 16QAM (Uplink)/ 64QAM (Downlink) и технология MIMO (мультивход и мультивыход). В технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) используется несколько приемных и передающих антенн, которые разнесены между собой таким образом, чтобы достичь наименьшей корреляции между соседними антеннами. В общем случае, при использовании метода MIMO поток данных пересылается одновременно, с использованием разных антенн. При этом антенны передают данные независимо друг от друга на одной и той же частоте. Таким образом реализуется несколькио пространственно разнесенных подканалов, по которым данные передаются одновременно в одном и том же частотном диапазоне.
Усовершенствованная сеть HSPA+ может теоретически поддерживать до 28 Мбит/с «вверх» и до 42 Мбит/с «вниз».
В принципе, возможно использование технологии DC-HSDPA в комбинации с технологией MIMO. Кроме того, нет категорического запрета на использование различных частот при объединении полос в технологии DC-HSDPA.
Расширенные варианты технологии «HSPA+» в совокупности с методом MIMO позволяет в разы увеличить скорости передачи, как «вверх», так и вниз.
По данным [14] в конце 2010 года сети с поддержкой HSPA эксплуатировались на коммерческой основе более чем двумястами операторами в восьмидесяти странах мира. Большинство сетей 3G реализовано на базе существующих сетей 2G. В процессе выполнения этой работы был накоплен опыт, позволяющий адаптировать старые базовые станции под соответствующие технологии 3GPPP. Этот факт говорит о том, что в ближайшие годы можно ожидать ускорение роста количества сетей 3G по всему миру.
Во многих странах получил распространения метод, при котором доступ к высокоскоростным сетям третьего поколения реализуются через базовые подстанции WiMax. В России этот проект с коммерческим названием YOTA в последние годы стремительно развивается.
Обновление существующих сетей осуществляется в двух направлениях - С одной стороны совершенствуются оборудование и программное обеспечение HSDPA. Параллельно происходит улучшение программно - аппаратного комплекса сетей с поддержкой HSUPA.
В настоящее время технология модернизации существующих сетей достигла такого уровня совершенства, что примерно 70 процентов существующих сетей WCDMA можно обновить до уровня HSDPA/HSUPA на программном уровне, не меняя при этом заметно аппаратную часть.
Большинство сетей в мире обеспечивает скорости до 7.2 Мбит/с «вниз», и реально могут быть модернизированы для поддержки скоростей 14 Мбит/с. В США, Японии и Европе практически по всей территории поддерживаются скорости 14 Мбит/с. Наибольшее число пользователей сетей 3G зарегистрировано в США. В конце 2010 года этой услугой пользовалось более 190 миллионов человек.
В некоторых регионах мира поддерживаются и более высокие скорости. Например, три сетевых провайдера M1, StarHub и SingTel обеспечивают скорости до 28 Мбит/с по всему Сингапуру. Австралийский провайдер Telstra поддерживает скорости 14.4 Мбит/с в национальном масштабе и до 42 Мбит/с в некоторых крупных городах. В крупных городах Канады также поддерживается скорость 21 Мбит/с.
В Южной Корее, глобальное общенациональное покрытие обеспечивает скорости 7.2 Мбит/с. В Гонконге операторы PCCW, CSL и Хучисон 3 реализуют скорости 21 Мбит/с, а Smartone-Vodafone обеспечивает до 28.8 Мбит/с. В Новой Зеландии по всей стране осуществлена поддержка 21 Мбит/с. В Португалии все операторы мобильной поддерживают HSDPA до 21.6 Мбит/с, а Vodafone в некоторых крупных городах поддерживает скорости до 42 Мбит/с. Индийский провайдер Mobitel Pvt Ltd обеспечивает 28 Мбит/с в азиатской области страны.
Объединяя различные методики и комбинируя различные технологии, можно добиться и более высоких скоростей. Так, например, существуют теоретические оценки, показывающие, что скорость передачи данных от базовой станции к абоненту «вниз» может быть увеличена до 672 Мбит/с, а скорость передачи данных от абонента «вверх» может достигать 70 Мбит/с. Насколько это верно, покажет время.
Рекордсменом в области поддержки высоких скоростей является фирма Ericsson. В конце 2010 года в Стокгольме, при проведении презентации нового варианта коммерческого сетевого оборудования была зафиксирована скорость передачи данных 168 Мбит/с «вниз» и 24 Мбит/с «вверх». Правда, нужно отметить, что в качестве абонентской станции использовалось специально подготовленное, нестандартное изделие. Для достижения таких скоростей использовалась методика HSPA с несколькими несущими.
При использовании коммерческого оборудования, доступного в свободной продаже, Ericsson продемонстрировал скорость «вниз» 84 Мбит/с в сети HSPA с двумя несущими. В сети с одной несущей, скорость была соответственно в два раза меньше - 42 Мбит/с. По словам представителя Ericsson, внедрение в коммерческих сетях технологии HSPA на одной несущей с пиковой скоростью 42 Мбит/с и HSPA на основе двух несущих со скоростью до 84 Мбит/с можно ожидать уже в 2011 году.
В России еще в 2007 году право построения сетей мобильной связи третьего поколения получили компании, входящие в «большую тройку» российских операторов мобильной связи — «МТС», «Вымпелком» («Билайн») и «МегаФон».
В настоящее время эти провайдеры поддерживают сети 3G практически во всех крупных городах России, а также в Кировской, Курганской, Тюменской, Свердловской, Челябинской областях, в Пермском крае, Республике Удмуртия, в Ханты-Мансийском АО, в Ямало-Ненецком АО, в Республике Коми и других областях России. Карты охвата услуги 3G можно найти на сайтах этих компаний.
В основном, в России поддерживаются сети UMTS/WCDMA, соответствующие Relase 5 и поддерживающие максимальные скорости «вниз» 3.6 МГбит/с, 7.2 МГбит/с и 0.93 МГбит/с. К сожалению, точную информации о конкретных значениях поддерживаемых стандартов и скоростей, российские операторы сотовой связи, в открытом доступе, не публикуют. Однако, по запросу клиента они обязаны ее предоставлять.
В крупных городах России существуют экспериментальные сети HSDPA/HSUPA с поддержкой более высоких скоростей.
Так, например, оператор МТС объявил об успешном тестировании в Москве технологии DC-HSDPA, на базе сетей 3G от МТС. Увеличение скорости достигнуто за счет изменения конфигурации оборудования действующей сети МТС «HSPA+» и одновременного использования двух частот UMTS вместо одной. В итоге, скорость скачивания данных в экспериментальных сетях DC-HSDPA увеличена до 42 Мбит/c «вниз». Администрация МТС объявила, что запуск технологии Dual Carrier HSDPA в коммерческую эксплуатацию на сети МТС в Москве начнется с апреля 2011 года. До конца 2011 года в Москве данную технологию будут поддерживать все базовые станции МТС 3G Indoor.
Литература
1. WCDMA FOR UMTS, Radio Access for Third Generation Mobile Communications, Third Edition, Edited by Harri Holma and Antti Toskala,
Nokia, Finland, Copyright # 2004
2. Ahonen and Barrett (editors), Services for UMTS (Wiley, 2002) first book on the services for 3G, ISBN 978-0-471-48550-6
3 .Леонид Невдяев. Мобильная связь 3-го поколения, Под редакцией Горностаева Ю.М., М. 2000,
4. ITU-D Study Group 2. "Guidelines on the smooth transition of existing mobile networks to IMT-2000 for developing countries (GST); Report on Question 18/2
5. Kreher and Ruedebusch, UMTS Signaling: UMTS Interfaces, Protocols, Message Flows and Procedures Analyzed and Explained (Wiley 2007), ISBN 978-0-470-06533-4
6. ГОСУДАРСТВЕННАЯ КОМИССИЯ ПО РАДИОЧАСТОТАМ ПРИ МИНИСТЕРСТВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СВЯЗИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, Заседание ГКРЧ от 23.10.2006 (протокол № 06-17), «О выделении полос радиочастот 1935-1980 МГц, 2010-2025 МГц и 2125-2170 МГц для радиоэлектронных средств стандарта IMT-2000/UMTS на территории Российской Федерации (решение ГКРЧ 06-17-01-001)».
7. ГОСУДАРСТВЕННАЯ КОМИССИЯ ПО РАДИОЧАСТОТАМ ПРИ МИНИСТЕРСТВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СВЯЗИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, РЕШЕНИЕ от 29 октября 2010 г. № 10-
8. http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/tsg_ran/TSGR_20/Docs/PDF/RP-030375.pdf
9.HSDPA/HSUPA for UMTS, High Speed Radio Access for Mobile Communications, Edited by Harri Holma and Antti Toskala, Both of Nokia Networks, Finland
10. Сергей Лурье. SDPA vs. WiMAX: сравнение характеристик и перспектив технологий передачи данных http://www.ixbt.com/mobile/itogi2006/wimax.shtml
11 Spatial and Temporal Fairness in Heterogeneous HSDPA-Enabled, UMTS Networks Andreas Mader1 and Dirk Staehle. Hindawi Publishing Corporation. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking. Volume 2009, Article ID 682368, 12 pages. doi:10.1155/2009/682368
12. Дубровский Василий, Синхронное кодовое разделение: технология будущего http://www.radioradar.net/articles/scientific_technical/kod_razd.html
13 Overview of 3GPP Release 6 V0.1.1 (2010-02).
14. [http://en.wikipedia.org/wiki/High-Speed_Uplink_Packet_Access].
15. http://www.cinterion.com/m2m-advanced.html
16. http://www.mitracon.ru/info/article.php?num=7
17. www.mt-system.ru/index.php?id=84789
18.www.telemetry.spb.ru
19. Grewal, Mohinder S., Weill, Lawrence Randolph, and Andrews, Angus P. Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration. Wiley-Interscience, 2007
20. PH8 Audio Interface Design AN02 V02 (07.01.2011)
21. PH8 Updating Firmware AN16 V02 (07.01.2011)
22. PH8 Using TTY_CTM AN22 V01 (22.12.2010) Power Supply AN26. V04 (12.08.2008)
23. PH8 GPS Antenna Integration AN37 V01 (22.12.2010) PH8 USB Interface AN39 V02 (07.01.2011)
24 PH8 Customizing Applications AN43 V01 (17.12.2010)