Този сайт използва бисквитки (cookies). Ако желаете можете да научите повече тук. Разбрах

Новини ИТ в отбраната
бр. 7, 2010

Еволюция на мобилните мрежи към поколение 4G

от , 13 юли 2010 0 5521 прочитания,
Следващото 4G поколение безжични комуникационни системи ще се базира изцяло на технологиите за пакетно превключване и ще осигурява на потребителите скорости за предаване на данни от порядъка на гигабит за секунда

Анализът на пазара на потребителите на мобилни телефони показва, че към 2011 г. те ще надхвърлят 4 млрд. Заедно с увеличаването на броя на абонатите се променя и ролята на потребителите, от ползващи мобилни услуги към създаващи огромно количество данни с различно съдържание (фотоси, видеоклипове, музика и др.), а това изисква непрекъснато увеличаване на капацитета на използваните устройства.
Номенклатурата на поколенията комуникационни системи се сменя при промяната на характеристиката на услугите, които те осигуряват. Първият преход от поколение 1G към поколение 2G се извърши при преминаване от аналогови към цифрови комуникации. Следващата смяна от 2G към 3G се извърши с въвеждане на устройства, използващи разширен честотен спектър при скорости на трансфер от минимум 200 kbit/s и осигуряващи мултимедийна поддръжка. Без съмнение светът на комуникациите върви към следващото по ред 4G поколение безжични комуникационни системи. Това поколение ще се базира изцяло на технологиите на пакетно превключване и ще осигурява на потребителите скорости за предаване на данни от порядъка на гигабит за секунда.


Технологиите в развитие
През 2002 международната организация International Telecommunication Union – Radiocommunication Sector (ITU-R) разработи визията за следващото поколение мобилни услуги 4G, която по-късно беше оформена като набор от спецификации International Mobile Telecommunications Advanced (IMT Advanced). Съгласно документите на ITU-R, IMT Advanced клетъчните системи е необходимо да постигнат скорости от 100 Mbit/s за устройства, движещи се с висока скорост и 1 Gbit/s за стационарни или движещи се с малка скорост (номадни) устройства.
Разработването на продукти (фиг. 1), отговарящи на изискванията на IMT- Advanced, се осъществява паралелно от няколко конкурентни организации – 3rd Generation Partnership Project (3GPP), разработила GSM стандартите, групата WiMAX Forum, разработила фамилията стандарти IEEE 802.16 и 3rd Generation Partnership Project 2 (3GPP2), разработила стандартите за друга технология от трето поколение – IS-95, широко известна под наименованието CDMA2000.

LTE
Асоциацията от телекомуникационни организации 3GPP, включваща Европейския институт за телекомуникационни стандарти ETST, Японската асоциация за радиоиндустрия и комитет за телекомуникационни технологии ARIB/TTC, Асоциацията за комуникационни стандарти на Китай и Телекомуникационната технологична асоциация на Южна Корея е създадена през 1998 г. с цел развитие на системите за глобална мобилна комуникация. Разработваната от 3GPP технология Long Term Evolution (LTE) често се рекламира като 4G технология, но строго погледнато тя не изпълнява в пълна степен изискванията на IMT Advanced. LTE има теоретично капацитет от 100 Mbit/s и 50 Mbit/s съответно в низходящия и възходящ канал при използване на 20 MHz честотен канал, като е възможно постигането на по-високи скорости при използване варианти на антената. Развитието на LTE, LTE Advanced, е кандидат за IMT-Advanced стандарт и се очаква да бъде реализирано през 2011 г. Целта на 3GPP е чрез LTE Advanced да достигне и задмине изискванията на ITU, като запази съвместимостта си с вече разработеното и използвано LTE оборудване.

WiMAX.
Технологията Mobile WiMAX (IEEE 802.16e-2005) също се рекламира като 4G технология и предлага скорости от порядъка на 128 Mbit/s и 56 Mbit/s съответно в низходяща и възходяща посока за 20 MHz радиочестотен канал. По-нататъшното подобряване на параметрите на Mobile WiMAX се предвижда с разработване на спецификацията Mobile WiMAX Release 2.0, която се базира на изискванията на стандарта IEEE 802.16m и отразява изискванията на IMT-Advanced. Развитието на Mobile WiMAX до 802.16m [3] ще доведе до пълно покриване на изискванията на IMT-Advanced за 1 Gbit/s скорости за фиксирани и 100 Mbit/s за мобилни потребители и удвояване на спектралната ефективност до 2.6 bps/Hz. Технологията се разработва основно от Sprint Nextel.


UMB
Ultra Mobile Broadband (UMB) е търговското наименование на друг 4G проект, разработван от стандартизационната група 3GPP2 с цел подобряване на параметрите на технологията CDMA2000 и довеждането им до изискванията на следващото поколение 4G приложения. Фирмата Qualcomm, лидер в разработката на UMB технологията, съобщи за приключване на етапа на разработка през ноември 2008 г. при достигнати параметри от 275 Mbit/s и 75 Mbit/s в низходяща и възходяща посока.
Първото поколение цифрови комуникации използваше технологиите Time Division Multiple Access (TDMA) и Frequency Division Multiple Access (FDMA) за осигуряване на ефирен интерфейс при предаването на данни. Практиката показа, че TDMA не осигурява достатъчно високи скорости за предаване, поради необходимостта от наличие на предохранителен времеви интервал, който да елиминира влиянието на многолъчево радиоразпространение. От друга страна FDMA изисква по-широки честотни ленти за предотвратяване на интерференцията между различните носещи честоти. Във второто поколение бяха избрани различни подходи – комбиниране на предимствата на FDMA и TDMA от една страна и използване на кодово разделяне чрез технологията Code Division Multiple Access (CDMA) от друга.
CDMA се използва и в третото поколение безжични комуникации под различни варианти – IS-2000, UMTS, TD-CDMA. Но CDMA показа лоша спектрална гъвкавост и наличие на изчислителни проблеми при използване на широколентови канали. Това накара разработчиците да се върнат към FDMA, разработвайки нови варианти за нейното използване – Orthogonal FDMA (OFDMA), Single Carrier FDMA (SC-FDMA), позволяващи извършването на контрол върху честотната лента. Съдейки по предложенията за 4G устройства, технологията CDMA използвана в 3G системите ще бъде изоставена и заменена напълно от технологията OFDMA (фиг. 2), която ще бъде комбинирана с технологията Multiple-Input and Multiple-Output (MIMO).


4G системите
Те са замислени да изпълнят дефинираните от ITU изисквания за качество на предоставяните услуги Quality of Service (QoS). Основните характеристики на IMT Advanced [2] са:
- Високо ниво на сходство във функционалността в световен мащаб при запазване на гъвкавостта за поддръжка на широк спектър от услуги и приложения по рентабилен начин.
- Съвместимост на услугите в рамките на IMT и фиксирани мрежи.
- Възможност за съвместна работа с други системи за радио достъп.
- Висококачествени мобилни услуги.
- Потребителско оборудване, подходящо за използване навсякъде по света.
- Лесни за ползване приложения, услуги и оборудване.
- Възможност за роуминг в която и да е точка на света.
- Увеличени пикови скорости за пренос на данни за осигуряване на разширени услуги и приложения.
Новите мобилни широколентови услуги ще въведат няколко нови приложения на пазара на мобилни услуги в световен мащаб, включително онлайн блогове, мобилна музика, услуги, базирани на местоположението (Location Based Service) и др.
Техническите изисквания към 4G системите [1, 5, 6] могат да бъдат обобщени като:
- Гъвкава честотна лента в диапазона между 5 и 20 MHz, с опция за увеличаване до 40 MHz. 

 Номинална скорост за предаване на данни 100 Mbit/s при висока скорост на движение спрямо станцията и 1 Gbit/s при фиксирани приложения.

- Скорост за обмяна на данни от минимум 100 Mbit/s между кои и да е две точки на света.
- Спектрална ефективност от 15 bit/s/Hz и 6.75 bit/s/Hz в низходяща и възходяща посока съответно.
- Надежден глобален роуминг между разнородни безжични мрежи и системи.
- Съвместимост със съществуващите към момента безжични стандарти.
Анализът на предложенията на основните разработчици на 4G устройства показва единство при избора на основните технологии. Както LTE, така и WiMax и UMB, ще използват OFDMA, All-IP и MIMO. Технологията OFDMA е добре позната от стандартите IEEE 802.11a/g, IEEE 802.16 и DVB. Във времевата област предаването на данните се извършва в рамките на един фрагмент от 10 ms. В честотната област разстоянието между подносещите е 15 kHz, дванайсет подносещи образуват блок от 180 kHz, като шест блока формират носеща от 1.4 MHz. Използваните модулации са QPSK, 16QAM и 64QAM. При трансфер към базовата станция се използва SC-FDMA. Използването на SC-FDMA се налага поради особеностите на обикновената FDMA. Тя се характеризира с много високо отношение на пиковата към средната мощност. Това налага използването на скъп и неефективен усилвател на мощност, с високи изисквания за линейност, което повишава цената на крайните терминали и води до бързо изтощаване на батериите. SC-FDMA решава този проблем чрез групиране на блоковете и като резултат – намаляване на изискванията за линейност и употребявана мощност.
Производителността на радиокомуникационните системи е в пряка зависимост от характеристиките на антенните системи. През 90-те години беше развита технологията на пространственото мултипликсиране MIMO, която се оказа ключова за повишаване на ефективността на комуникациите. При нея независимите потоци от данни се излъчват едновременно от множество антени. Технологията се отнася към пространствено времевото кодиране и позволява подобряване на скоростите и надеждността за предаване на данни.
Тъй като 4G ще използват само пакетна комутация се очаква да възникват проблеми с изчерпването на възможностите за адресиране на абонатите в мрежите. Въвеждането на новите правила за адресиране на IP базирани мрежи, чрез въвеждането на новия Internet Protocol version 6 (IPv6) е наложително. Освен решаването на проблема с недостига на адреси IPv6 премахва и необходимостта от наличието на способи за превеждани на адреси – Network Address Translation (NAT). NAT все пак ще се използва за съгласуване с устройства, подържащи адресация IPv4 докато има нужда от това. Това ще даде възможност за съвместна работа на притежателите на устройства от второ и трето поколение с притежателите на устройства от 4G и съответно няма да доведе до загуба на клиенти.


Заключение
Повечето мобилни оператори по света вече анонсираха своите планове да конвертират мрежите си като LTE мрежи, започвайки от 2009 г. Първите две публично достъпни LTE мрежи бяха въведени в експлоатация през декември 2009 г. в Стокхолм и Осло, като бяха представени като 4G мрежи. Американската компания Verizon Wireless също представи плановете си да извади от употреба своята CDMA2000 базирана 3G мрежа и да я замени с LTE мрежа. AT&T, подобно на Verizon Wireless, планира замяна на 2G/GSM и 3G/HSPA мрежите си с LTE мрежа през 2011 г.
Производители на WiMAX оборудване като Huawei и Motorola разработват решения, известни като 108.16e+, които ще осигурят 802.16m функции на действащите инфраструктури. Броят на абонатите на мрежи по стандарта WiMAX 108.16e, ще се увеличи от сегашните 480 милиона до 1 млрд. към края на 2012 г. Очаква се през 2014 г. броят на абонатите на 4G мрежи да достигне 150 милиона.

Литература:
1. 4G, From Wikipedia, the free encyclopedia, March 2010, http://en.wikipedia.org/wiki/4G .
2. Document IMT-ADV/1-E, Background on IMT-Advanced, ITU Radiocommunication Study Groups, ps. 3, 7 March 2008.
3. Marks R.B., J.M. Costa, and B.G. Kiernan, The Evolution of WirelessMAN, IEEE Microwave Magazine, Vol 9, No. 4, pp. 72-79, August 2008.
4. Recommendation ITU-R M.1645, Framework and overall objectives of the future development of IMT 2000 and systems beyond IMT 2000 (Question ITU-R 229/8), ps. 25, 2003.
5. Report ITU-R M.2133, Requirements, evaluation criteria and submission templates for the development of IMT-Advanced, ps. 29, 2008.
6. Report ITU-R M.2134, Requirements related to technical performance for IMT-Advanced radio interface(s), ps. 8, 2008.

КОМЕНТАРИ ОТ  

Полезни страници
    За нас | Аудитория | Реклама | Контакти | Общи условия |
    Действителни собственици на настоящото издание са Иво Георгиев Прокопиев и Теодор Иванов Захов