Требования к IMT-Advanced системам

Спектральная эффективность на сектор

Спектральная эффективность на сектор определяется как суммарная пропускная способность всех пользователей (количество правильно принятых бит, т.е. количество бит, содержащихся в пакетах
данных передаваемых 3-му уровню), разделенная на ширину канала, разделенную на количество секторов. Спектральная эффективность на сектор измеряется в бит/с/Гц/сектор и вычисляется по
следующей формуле:

где χi – количество успешно принятых бит мобильной станицей с номером i (в нисходящем или в восходящем канале); N – количество мобильных станций в системе;
M – количество секторов в системе; ω – ширина канала; T – время, за которое было принято χi бит.

В качестве примера укажем максимальные значения спектральной эффективности на сектор, характерные для точки доступа в офисе или дома (т.е. indoor), в нисходящем канале 3 бит/с/Гц/сектор
и в восходящем канале 2.25 бит/с/Гц/сектор. И минимальные параметры, характерные для высоко мобильных пользователей (машины, поезда), в нисходящем канале 1.

1 бит/с/Гц/сектор и в
восходящем канале 0.7 бит/с/Гц/сектор. Приведенные значения определены из предположения, что при нисходящей передаче используется 4 передающие антенны и 2 приемные (4х2), а при
восходящей – 2х4. Более подробную информацию можно найти в [3].

Пиковая спектральная эффективность

Пиковая спектральная эффективность – это максимальная теоритическая скорость передачи данных (нормированная на ширину канала), т.е. это количество принятых бит в случае канала свободного
от ошибок и функционирования одной мобильной станции в системе, для обслуживания которой используется весь имеющийся ресурс (исключая ресурсы, используемые для синхронизации,
опорных сигналов и защитные частоты).

Минимальные требования для пиковой спектральной эффективности в нисходящем канале 15 бит/с/Гц и в восходящем канале 6.75 бит/с/Гц. Эти
значения были определены из предположения, что при нисходящей передаче используется 4 передающие антенны и 4 приемные (4х4), а при восходящей – 2х4.

Исходя из приведенных выше значений пиковой спектральной эффективности, можно вычислить теоритическую пиковую пропускную способность. Например, для нисходящего канала с полосой
40 МГц она составляет 600 Мбит/с, а с полосой 100 МГц – 1500 Мбит/с. И соответственно для восходящего канала с полосой 40 МГц – 270 Мбит/с, а с полосой 100 МГц – 675 Мбит/с.

Ширина канала

Технология радио доступа (RIT, Radio Interface Technology) должна поддерживать работу с масштабируемой шириной канала, которая может состоять из одного или нескольких частотных
диапазонов. При этом ширина канала может достигать 40 МГц включительно.

3g – imt-2000 – стандарт мобильной связи

Спектральная эффективность на границе сектора

Спектральная эффективность для мобильной станции, находящейся на границе сектора, определяется как количество правильно принятых бит (данных на уровне 3) за определенное время,
разделенное на ширину канала, и измеряется в бит/с/Гц. И вычисляется по следующей формуле:

где χi – количество успешно принятых бит мобильной станицей с номером i (в нисходящем или в восходящем канале); ω – ширина канала;
Ti – время, за которое было принято χi бит.

В качестве требования к спектральной эффективности мобильной станции, находящейся на границе сектора, используется значение интегральной функции распределения, нормированной к
пропускной способности (χ/T), в точке 5%. Например, требования к спектральной эффективности мобильной станции, находящейся на границе сектора, для точки доступа в офисе или дома
составляют 0.

1 Плоскость управления

Как правило, требования к задержке в плоскости управления задаются на время перехода мобильной станции из одного состояния в другое (например из idle в active). Согласно требованиям ITU
время перехода из режима idle в активный режим должно быть меньше 100 мс (не учитывая задержку нисходящей передачи paging сообщений и задержку сигнализации в проводной
сети).

2 Передача пользовательских данных

Задержка передачи пользовательских данных определяется как период времени между моментом, когда пакет данных доступен на IP уровне на пользовательском терминале/базовой станции, и
моментом, когда этот же пакет доступен на IP уровне на базовой станции/пользовательском терминале.

Данный период времени включает в себе передачу всей необходимой контрольной
информации. При этом предполагается, что пользовательский терминал находится в активном состоянии. IMT-Advanced системы должны обеспечивать задержку передачи данных меньше, чем
10 мс в условиях незагруженной системы (т.е. в сети только один пользователь, который имеет одно соединение) при передаче малых IP пакетов (присутствует только IP заголовок). Данное
требование относится как к нисходящему, так и к восходящему каналу.

Мобильность

Определены следующие классы мобильности:

• Стационарный: 0 км/ч
• Пешеход: до 10 км/ч
• Автомобиль: от 10 до 120 км/ч
• Высоко скоростные автомобили/поезда: от 120 до 350 км/ч

Хэндовер (handover)

Время прерывания на хэндовер (смену обслуживающей базовой станции) определяется как период времени, в течение которого мобильная станция не может обмениваться пользовательскими данными
ни с одной базовой станицей. При определении требований к времени прерывания на хэндовер взаимодействие с базовой сетью (core network, та часть сети, которая находится за базовой
станцией) не учитывается, т.е. предполагается, что это время равно 0.

• Одинаковые частоты (intra-frequency): 27.5 мс
• Разные частоты (inter-frequency). Внутри одной и той же полосы частот (band): 40 мс. Между разными полосами частот: 60 мс.

Более того, должен быть поддержан хэндовер между IMT-Advanced и IMT системами, но требования для него не определены.

Количество VoIP звонков

Предполагается, что скорость VoIP звонка составляет 12.2 Кбит/с, а фактор активности – 50%. При передаче VoIP данных не менее 98% пакетов должны передаваться с задержкой не более 50 мс.
Количество VoIP звонков для точки доступа в офисе или дома должно достигать 50 звонков/сектор/МГц.

История сотовой связи

Эволюция систем сотовой связи включает в себя несколько поколений 1G, 2G, 3G и 4G. Ведутся работы в области создания сетей мобильной связи нового пятого поколения (5G). Стандарты различных поколений, в свою очередь, подразделяются на аналоговые (1G) и цифровые системы связи (остальные).

Рассмотрим их подробнее.

Связь всегда имела большое значение для человечества. Когда встречаются два человека, для общения им достаточно голоса, но при увеличении расстояния между ними возникает потребность в специальных инструментах. Когда в 1876 году Александр Грэхем Белл изобрел телефон, был сделан значительный шаг, позволивший общаться двум людям, однако для этого им необходимо было находиться рядом со стационарно установленным телефонным аппаратом!

Более ста лет проводные линии были единственной возможностью организации телефонной связи для большинства людей. Системы радиосвязи, не зависящие от проводов для организации доступа к сети, были разработаны для специальных целей (например, армия, полиция, морской флот и замкнутые сети автомобильной радиосвязи), и, в конце концов, появились системы, позволившие людям общаться по телефону, используя радиосвязь.

Первое поколение мобильной связи (1g)

Официальным днем рождения сотовой связи считается 3 апреля 1973 года, когда глава подразделения мобильной связи компании Motorola Мартин Купер позвонил начальнику исследовательского отдела AT&T Bell Labs Джоэлю Энгелю, находясь на оживленной Нью-йоркской улице.

Именно эти две компании стояли у истоков мобильной телефонии. Коммерческую реализацию данная технология получила 11 лет спустя, в 1984 году, в виде мобильных сетей первого поколения (1G), которые были основаны на аналоговом способе передачи информации.

Основными стандартами аналоговой мобильной связи стали AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная подвижная телефонная служба) (США, Канада, Центральная и Южная Америка, Австралия), TACS (Total Access Communications System – тотальная система доступа к связи)

(Англия, Италия, Испания, Австрия, Ирландия, Япония) и NMT (Nordic Mobile Telephone – северный мобильный телефон) (страны Скандинавии и ряд других стран). Были и другие стандарты аналоговой мобильной связи – С-450 в Германии и Португалии, RTMS (Radio Telephone Mobile System – радиотелефонная мобильная система)

Поколение 3,5g

Дальнейшим развитием сетей стала технология HSPA (англ. High Speed Packet Access – высокоскоростной пакетный доступ), которую стали именовать 3,5G. Изначально она позволяла достичь скорости в 14,4 Мбит/с, однако сейчас теоретически достижима скорость 84 Мбит/с и более.

Пятое поколение мобильной связи (5g)

В настоящее время ведутся предкоммерческие и коммерческие запуски сетей 5G. Подробнее о запусках сетей 5G в России и мире можно ознакомиться по соответствующим ссылкам.

К сетям пятого поколения заявлены следующие требования (в сравнении с LTE):

– Рост в 10-100 раз скорости передачи данных в расчете на абонента;

– Рост в 1000 раз среднего потребляемого трафика абонентом в месяц;

– Возможность обслуживания большего (в 100 раз) числа подключаемых к сети устройств;

– Многократное уменьшение потребление энергии абонентских устройств;

– Сокращение в 5 и более раз задержек в сети;

– Снижение общей стоимости эксплуатации сетей пятого поколения.

Требования к сетям 5G в оцифрованном виде представлены по ссылке.

Более подробную информацию об эволюции сетей мобильной связи, текущем состоянии, трендах и перспективах ее развития читайте в новейшей книге-справочнике “Мобильная связь на пути к 6G”.

Ссылки по теме

[1]

[2]

[3]

Табл. 1 характеристики аналоговых стандартов сотовой связи

Во времена 1G никто не думал об услугах передачи данных – это были аналоговые системы, задуманные и разработанные исключительно для осуществления голосовых вызовов и некоторых других скромных возможностей. Модемы существовали, однако из-за того, что беспроводная связь более подвержена шумам и искажениям, чем обычная проводная, скорость передачи данных была невероятно низкой. К тому же, стоимость минуты разговора в 80-х была такой высокой, что мобильный телефон мог считаться роскошью.

Во всех аналоговых стандартах применяется частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления. Этот способ имеет ряд существенных недостатков: возможность прослушивания разговоров другими абонентами, отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов.

Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот – применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access – FDMA). С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем – относительно низкая емкость, являющаяся следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.

В каждой стране была разработана собственная система, несовместимая с остальными с точки зрения оборудования и функционирования. Это привело к тому, что возникла необходимость в создании общей европейской системы подвижной связи с высокой пропускной способностью и зоной покрытия всей европейской территории.

Последнее означало, что одни и те же мобильные телефоны могли использоваться во всех Европейских странах, и что входящие вызовы должны были автоматически направляться в мобильный телефон независимо от местонахождения пользователя (автоматический роуминг).

Табл. 2. сравнение систем сотовой связи второго поколения (2g)

 Третье поколение мобильной связи (3G)

Дальнейшим развитием сетей мобильной связи стал переход к третьему поколению (3G). 3G – это стандарт мобильной цифровой связи, который под аббревиатурой IMT-2000 (англ. International Mobile Telecommunications – международная мобильная связь 2000) объединяет пять стандартов – W-CDMA, CDMA2000, TD-CDMA/TD-SCDMA, DECT (англ.

Digital Enhanced Cordless Telecommunication – технология улучшенной цифровой беспроводной связи). Из перечисленных составных частей 3G только первые три представляют собой полноценные стандарты сотовой связи третьего поколения. DECT – это стандарт беспроводной телефонии домашнего или офисного назначения, который в рамках мобильных технологий третьего поколения, может использоваться только для организации точек горячего подключения (хот-спотов) к данным сетям.

Стандарт IMT-2000 дает четкое определения сетей 3G – под мобильной сетью третьего поколения понимается интегрированная мобильная сеть, которая обеспечивает: для неподвижных абонентов скорость обмена информацией не менее 2048 кбит/с, для абонентов, движущихся со скоростью не более 3 км/ч – 384 кбит/с, для абонентов, перемещающихся со скоростью не более 120 км/ч – 144 кбит/с.

При глобальном спутниковом покрытии сети 3G должны обеспечивать скорость обмена не менее 64 кбит/с. Основой всех стандартов третьего поколения являются протоколы множественного доступ с кодовым разделением каналов. Подобная технология сетевого доступа не является чем-то принципиально новым. Первая работа, посвященная этой теме, была опубликована в СССР еще в 1935 году Д.В. Агеевым.

Технически сети с кодовым разделением каналов работают следующим образом – каждому пользователю присваивается определенный числовой код, который распространяется по всей полосе частот, выделенных для работы сети. При этом какое-либо временное разделение сигналов отсутствует, и абоненты используют всю ширину канала.

При этом, естественно, сигналы абонентов накладываются друг на друга, но благодаря числовому коду могут быть легко дифференцированы. Как было упомянуто выше, данная технология известна достаточно давно, однако до середины 80-х годов прошлого века она была засекреченной и использовалась исключительно военными и спецслужбами. После снятия грифов секретности началось ее активное использование и в гражданских системах связи.

Четвертое поколение мобильной связи (4g)

В марте 2008 года сектор радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ-Р) определил ряд требований для стандарта международной подвижной беспроводной широкополосной связи 4G, получившего название спецификаций International Mobile Telecommunications Advanced (IMT-Advanced), в частности установив требования к скорости передачи данных для обслуживания абонентов:

Так как первые версии мобильного WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access – всемирная совместимость для микроволнового доступа) и LTE (англ. Long Term Evolution – долгосрочное развитие) поддерживают скорости значительно меньше 1 Гбит/с, их нельзя назвать технологиями, соответствующими IMT-Advanced, хотя они часто упоминаются поставщиками услуг, как технологии 4G. 6 декабря 2022 года МСЭ-Р признал, что наиболее продвинутые технологии рассматривают как 4G.

Основной, базовой, технологией четвёртого поколения является технология ортогонального частотного уплотнения OFDM (англ. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Кроме того, для максимальной скорости передачи используется технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами – MIMO (англ.

Таким образом, эволюцию стандартов мобильной связи можно представить в следующем виде: 

Рис. 1. Эволюция стандартов мобильной связи

Сравнительные характеристики стандартов различных поколений мобильной связи можно свести в следующую таблицу: