CC BY
28
IEEE 802.16-
ПЕРВЫЙ СТАНДАРТ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 4G
Мировое сообщество беспроводной мобильной связи продолжает дискуссии вокруг систем четвертого поколения - 40.
А между тем даже многие специалисты не могут дать внятного ответа на вопрос, что же это такое и когда они появятся?
5C
1G, 2G и 3G
Принято считать, что именно аналоговые системы относятся к первому поколению систем мобильной связи 1G. Они были распространены в 1980-х годах и в настоящее время практически исчезли в большинстве стран мира. Второе поколение систем (2G) стало уже цифровым, однако предназначались они прежде всего для передачи речи и низкоскоростных данных в виде всем известных SMS. Впрочем, системы 2G, будучи наиболее популярными в 1990-х годах, остаются таковыми и до сегодняшнего дня.
Во второй половине 1990-х гг. появилась общая концепция систем мобильной связи третьего поколения, которая сразу же оказалась в центре внимания специалистов. Первоначальной целью разработки
Век Качества N° 6
технологии 3G было стремление гармонизировать мировой радиочастотный ресурс и технологические стандарты для обеспечения глобального роуминга и дальнейшего, более масштабного развития отрасли мобильной связи. Позже, по мере переноса внимания науки и регуляторов на разработку специфических технологий и стандартов, представители промышленности инициировали деятельность по международной координации проводимых разработок в таких организациях, как 3GPP (The 3-rd Generation Partnership Project) и параллельной ей организации 3GPP2. В отличие от того, как протекали процессы внедрения систем мобильной связи 1G и 2G, международная деятельность 3GPP по развитию технологии 3G была организована через Бю-
ро радиосвязи МСЭ (ITU-R). В результате широкого международного сотрудничества ITU-R удалось частично гармонизировать радиочастотный спектр и радиотехнологии. В 2000 г. ITU-R завершило разработку первой версии рекомендаций «IMT-2000» (ITU-RM. 1457).
Чем же отличались системы мобильной связи нового поколения от предыдущих? С точки зрения пользователей, основные особенности заключались в услугах, которые обеспечивает сеть 3G. Однако различать поколения систем мобильной связи по критерию предоставляемых сервисов не совсем просто, поскольку услуги операторов зависят от их рыночных намерений и внедряемого на сети оборудования. Причем услуги будут различаться степенью их использования, оборудованием пользователя и выбранным им сервисным пакетом. Кроме того, представление пользователей о 3G-сервисе в 2008 г. почти полностью отличается от тех представлений, которые он имел в 2001 г. Поэтому системы беспроводной связи лучше различать по их базовым технологиям.
Так, переход от первого поколения мобильной связи ко второму всегда определялся как смена аналоговых технологий на цифровые. Точно так же переход к системам 3G стал квалифицироваться как появление широкополосных решений, которые обеспечиваются в радиоинтерфейсе технологией CDMA. В подтверждение правомочности такого подхода к классификации следует напомнить, что разработка технологии IMT-2000 рассматривается как начало внедрения систем 3G, хотя стандарт ITU-RM.1457 включает в себя технологию радиоинтерфейса, но не содержит определений, касающихся сетей в целом и услуг, организуемых на этих сетях.
Эволюция IMT-2000
Стандарт ITU-RM.1457 дорабатывался еще в течение целого года после его первичного одобрения в мае 2000 г. Внесенные за этот период изменения не были существенными. Действительно, все семь версий стандарта, включая основную и шесть пересмотренных и дополненных, имели неизменную базовую структуру. Документ формально содержит описание пяти радиоинтер-фейсных технологий. Три первых базируются на технологии CDMA: две из них предложены организацией 3GPP и одна - 3GPP2. Из двух других технологий одна представляет собой вариант системы EDGE, то есть технологии передачи данных поколения 2,5G, которая уже используется в сетях 2G. Последняя из
h
II
ПРАКТИКА I Из зарубежных источников
упомянутых пяти представляет собой технологию беспроводной офисной телефонии DECT. Хотя в это же время появились и с успехом внедрялись сравнительно новые подходы в области высокоскоростной мобильной передачи цифровой информации (включая HSDPA и CDMA 1xEV-DO), фундаментальных изменений в технологический стандарт IMT-2000 внесено не было.
После IMT-2000 - IMT-Advanced
Поскольку внедрение систем IMT-2000 уже началось, у специалистов и у бизнеса появляется интерес к тому, что будет после систем 3G (beyond IMT). Видение систем «после IMT» воплощено в рекомендациях ITU-RM.1645 «Основные этапы и направления будущего развития IMT-2000 и системы следующего поколения», содержащих описание комплексной сети и систем взаимодействия с радиоинтерфейсами различных типов. Вероятнее всего, название IMT-Advanced («усовершенствованная» или «перспективная» IMT) было придумано только для того, чтобы представить системы следующего «после IMT-2000» поколения систем мобильной связи. В феврале 2008 г. ITU-R объявило о начале подачи предложений по содержанию рекомендаций IMT-Advanced вплоть до конца 2009 г.
Является ли IMT-Advanced технологией систем 4G?
У многих наблюдателей за деятельностью МСЭ сложилось впечатление, что проект IMT-Advanced -это и есть разработка технологии для систем мобильной связи четвертого поколения. Однако МСЭ не присвоил аббревиатуру 4G ни одному из документов на IMT-Advanced, в том числе и стандарту ITU-RM.1645.
Программа IMT-Advanced была формально учреждена на Ассамблее Радиосвязи МСЭ, проходившей в 2007 г. Итоговая резолюция этого мероприятия содержит 34 ссылки на IMT-Advanced, но ни одной - на 4G.
Есть много причин не рассматривать IMT-Advanced как следующее после IMT-2000 поколение технологии мобильной связи. Одной из них является то, что технология IMT-2000 очень сильно эволюционизиро-вала относительно своих 3G-mto-ков. В таком продвинутом виде она должна продолжить свое развитие, если даже программа IMT-Advanced достигнет своей цели. Как только функциональные ограничения, имеющиеся в технологии IMT-2000, будут преодолены, различия межу этими двумя технологиями могут быть полностью размыты. Технологии 4G
должны, разумеется, найти свое место в концепции IMT-Advanced, однако не все стандарты на системы 4G будут завершены в рамках программы IMT-Advanced. Кроме того, в нее также могут быть включены и технологии, не относящиеся формально к поколению 4G.
Когда появятся стандарты на 4G?
В продолжение данной дискуссии вполне логично задать вопрос: что такое 4G и когда появятся стандарты на эти системы?
Выше уже были названы первые шесть пересмотров рекомендаций IMT-2000 под индексом ITU-RM.1457. Седьмая версия (М. 145707) принята Ассамблеей радиосвязи в октябре 2007 г. Это была наиболее радикальная ревизия стандарта за всю историю технологии IMT-2000. В первый раз в него включили совершенно новый, шестой по счету, радиоинтерфейс (полное название которого IMT2000 OFDMA TDD WMAN), внедривший в стандарт IMT-2000 технологию OFDMA. В то же время в седьмую версию стандарта была включена разработанная организацией 3GPP2 технология UMB (также на базе OFDMA) и аналогичная технология Long Term Evolution, предложенная организацией 3GPP В результате стандарт М. 1457 в версии 7 на сегодня содержит шесть радиоинтерфейсов, четыре из которых работают по технологии OFDMA. В совокупности они определяют целый ряд характеристик передачи на радиосетях, включая IP-сети. Такая радикальная смена технологий, широко поддержанная различными независимыми организациями по стандартизации, есть результат международного признания важности инициатив в области мобильной связи 4G.
Технология IMT-2000 OFDMA TDD WMAN и ее основа. Стандарт IEEE802.16
IMT-2000 OFDMA TDD WMAN является по сути версией стандарта IEEE802.16, который специфицирует профиль систем WiMAX. Полное описание радиоинтерфейса приведено в документе IEEE L802.16-06/031 r2, предложенном институтом IEEE в качестве приложения к самому стандарту 802.16.
IEEE802.16 - это стандарт беспроводной связи для зоновых сетей, который находился в стадии разработки и эволюции с 1999 г. Базовая структура стандарта поддерживала дифференцированное качество услуг различного типа и обеспечивала одновременную передачу нескольких мультимедийных сервисов по одной сети. Первоначально стан-
дарт поддерживал только «фиксированные» (стационарные) терминалы, однако был расширен до полной мобильности терминала после принятия в 2005 г. поправки IEEE802.16e. WiMAX-форум разработал документ под названием «WiMAX-Forum Mobile System Profile», который содержал спецификации специальной версии стандарта, предназначенной для использования при сертификационных испытаниях оборудования.
Стандарт IEEE802.16 разрабатывался, поддерживался и совершенствовался Рабочей группой IEEE802.16 (состоящей из 433 членов и собирающейся шесть раз в год) по беспроводному широкополосному доступу. Экспертиза стандарта в отношении целесообразности применения в нем технологии OFDMA проводилась основательно. Внедрение технологии OFDMA в стандарт было осуществлено в 2003 г. посредством поправки 802.16а, базировавшейся на результатах исследовательских работ в области стандартизации, которые проводились с 2000 г.
На текущий момент Рабочая группа продолжает пересмотр базового стандарта (известного под индексом 802.16Rev.2), завершение которого ожидается в конце 2008 г. После этого продолжится разработка трех дополнительных поправок, а именно:
SS проект 802.16h - разработка усовершенствованных механизмов для обеспечения безлицензионной оперативной деятельности; SS проект 802.16j - разработка спецификаций многоинтервальной системы ретрансляции, в частности, релейной станции, которая одновременно обеспечивает связь с местными мобильными терминалами. Данная разработка предоставит оператору новый инструментарий для увеличения радиуса действия и емкости сети мобильной связи;
SS проект 802.16m - разработка перспективного радиоинтерфейса (более детально рассмотрен ниже).
Проект 802.16m и IMT-Advanced
Вскоре после того как была разработана поправка 802.16е, члены сообщества специалистов, занимающихся стандартом IEEE802.16, начали рассматривать вопрос, насколько расширенная версия этого стандарта способна удовлетворить возросшие требования технологии IMT-Advanced. В конце 2006 г. Рабочая группа, наконец, получила от руководства МСЭ разрешение на разработку проекта IEEE802.16m, кото-
Ноябрь 2008 г.
51
а
рый ставил своей целью внести поправки в стандарт IEEE802.16 Wireless MAN-OFDMA. Поправки были необходимы для того, чтобы усовершенствованный радиоинтерфейс удовлетворял требованиям технологии IMT-Advanced на сотовом уровне сетей мобильной связи следующего поколения и одновременно продолжал обеспечивать поддержку существующего оборудования технологии Wireless MAN-OFDMA.
В то время как точка зрения Радиобюро МСЭ в отношении временных этапов процесса разработки проекта IMT-Advanced пересматривалась в сторону увеличения сроков, работа Целевой группы (Task Group) над проектом 802.16м была более независимой. Основные цели проекта и ранее установленные сроки завершения разработки поправки 802.16m (2009 г.) остались неизменными.
ных и базовых станций технологии MAN-OFDMA. Оказалось, что гибкость этой технологии позволяет полностью отвечать указанным требованиям. Именно гибкость стала тем особым достоинством OFDMA-технологии и ключевым фактором, что позволило промышленности выбрать ее для систем 40. Требование пользователей к высокоскоростным услугам может быть частично удовлетворено за счет возросшей спектральной эффективности радиоинтерфейса, являющейся одним из достоинств технологии OFDMA, а также благодаря антенной технологии М1МО, которая достаточно просто согласуется с радиоинтерфейсом OFDMA. Другой путь увеличения пропускной способности радиотракта - применение канала с более широкой полосой пропускания. В связи с тем что технология OFDMA делит канал на большое число узкополосных подканалов, она позволяет
52
Целевая группа, занимающаяся поправкой, разработала в рамках данного проекта такие системные требования, которые отражают всю эволюцию стандарта вплоть до требований к технологии IMT-Advanced, однако дополнила текст поправки едиными формулировками. Основными из них являются требования к стандарту поддерживать существующие системы технологии MAN-OFDMA. В настоящее время Целевая группа работает над описанием системы (System Description Document -SDD), прежде чем приступить к формированию проекта стандарта. Основная цель документа SDD - дать оценку и при необходимости принять альтернативные технические решения, прежде чем формулировать окончательный вариант спецификаций и включать их в стандарт.
Гибкость технологии IEEE802.16
Как указывалось выше, одним из ключевых требований проекта IEEE802.16m является обязательная поддержка существующих мобиль-
Век Качества < 6
просто наращивать полосу канала (легко масштабируется) и количество подканалов, хотя при этом эффект от спектральной эффективности данной технологии становится невысоким. Она также легко адаптируется к многочастотному делению канала и к парно- и непарнополосным методам деления спектра сигнала как с помощью частотного (FDD), так и временного (TDD) методов уплотнения. Технология OFDMA уже по своей природе оказывается весьма пригодной к использованию электронной технологии ASIC и широкого перечня электронных компонентов. Некоторые разработчики ASIC-электроники сами указывают на ее перспективность для создания чипов, которые могут работать в каналах различных частотных диапазонов и с различными полосами пропускания и методами дуплексирования.
Гибкость стандарта IEEE802.16 обеспечивает также новые возможности для операторов, желающих предоставлять те услуги, которым
они отдают предпочтение на данный момент. Перечень таких услуг и приложений исключительно широк, что еще раз подтверждает справедливость утверждения о трудности определения систем 4G по предоставляемому ими сервису.
Перспективы внедрения систем 4G
Из-за большого успеха, который имели системы 2G у пользователей мобильной связью, рынок услуг 3G развивался относительно слабо. Несмотря на то что базовые стандарты на системы 3G были разработаны еще в 1990-х годах, как утверждают глобальные 3С-операторы, только 10% пользователей к концу 2007 г. применяли оборудование технологии 3G. В связи с этим необходимо отметить, что операторы мобильной связи мало вкладывали средств в развитие сетей третьего поколения. Объяснить это можно тем, что только недавно системы 3G смогли реально продемонстрировать свои широкие возможности. Если же говорить об операторах, которые все же работают с технологиями 3G, то во многих случаях они рассматривают системы 4G не как ближайшую перспективу, а как долговременную эволюцию систем 3G, которая потребует нового раунда инвестиций и не только в оборудование радиодоступа, но и в сетевые узлы.
Тем не менее несколько компаний готовы продвигать свой операторский бизнес в направлении 4G уже в ближайшее время. В основном это такие компании, которые не обременены требованиями поддержки существующих сетей мобильной связи и полностью или частично разделяют мнение, что технологии 4G являются лучшей формой капиталовложений в широкополосные сети связи. Несколько компаний с глобальным операторским бизнесом приняли решение внедрять стандарт IEEE802.16 в мобильные сети WiMAX уже в 2008-2009 гг.
Заключение
Системы мобильной связи четвертого поколения базируются на нескольких, отличающихся друг от друга фундаментальных технологиях, включая OFDMA и пакетную передачу. Технологии 4G начинались с принятия стандарта IEEE802.16. Международное телекоммуникационное сообщество признало необходимость перехода к новым сетям 4G, одобрив и приняв к использованию Рекомендацию МСЭ ITU-RM. 1457-7 в октябре 2007 г. Наиболее передовые операторы мобильной связи уже в настоящее время экспериментируют с технологиями 4G. J
По материалам «Huawei Technologies Communicate»
h
