Эволюция GSM

Когда в 1991 г. появились первые сети GSM (Под аббревиатурой GSM будем подразумевать любые системы, основанные на технологии GSM, такие как GSM-900, DCS-1800 и PCS-1900.), главное внимание уделялось обеспечению ими услуг речевой связи на достойном уровне по сравнению с существовавшими тогда аналоговыми сотовыми системами. Однако уже с самого начала технология GSM была способна предложить несколько новых видов услуг, которые незамедлительно привлекли внимание определенной категории пользователей. Наиболее существенными нововведениями стали возможности шифрования передаваемой информации и роуминга по всей Европе.

Шифрование привлекло к GSM многих бизнесменов, которые впервые смогли активно использовать сотовую связь. Роуминг же заинтересовал тех, кому приходилось часто путешествовать и кто хотел пользоваться одной-единственной телефонной трубкой в любой точке Европы. В то же время в базовой области голосовой связи GSM предложила две группы дополнительных услуг: перенаправление и запрещение звонков.

Следующим шагом развития GSM было введение услуг пересылки коротких сообщений (Short Message Service ю SMS) и передачи данных. Сначала возможности услуг SMS ограничивались уведомлением о поступлении сообщения в ящик голосовой почты. И только недавно, начиная с 1995 г., сервис SMS стал расширяться. Сегодня пользователи систем GSM имеют возможность посылать друг другу короткие сообщения непосредственно с телефонной трубки или через компьютерные сети. Период с конца 1994 г. до начала 1995 г. ю время бурного развития услуг передачи данных. Это было обусловлено появлением привлекательных радиотелефонов и тем, что значительное число сетей GSM стали способны поддерживать такие услуги. Сегодня абоненты сетей GSM могут воспользоваться услугами мобильного модема/ факса со скоростью передачи данных до 9,6 Кбит/с. Широкое распространение портативных ПК позволяет абонентам сетей GSM получать доступ к компьютерным системам их офисов, а также посылать и принимать сообщения электронной почты через сети GSM.

Изначально развитие GSM планировалось таким образом, что любая новая услуга или техническое новшество должны были вводиться одновременно во всех сетях GSM. Это привело к так называемому поэтапному развитию GSM. Введение в строй сетей GSM в 1991 г. было, фактически, первым этапом (phase 1). Второй этап (phase 2) развития GSM (его завершение ожидается в 1996 г.) обеспечит такие дополнительные услуги, как, скажем, определение номера вызывающего абонента, удержание линии, групповой вызов, определение закрытой группы абонентов, выдача информации о плате за разговор. Этот этап также предполагает расширение полосы пропускания для систем GSM-900. Другое важное новшество, которое будет реализовано вскоре после завершения второго этапа, ю кодирование речи с половинной скоростью. Этот шаг направлен на увеличение пропускной способности систем GSM. Но несмотря на планируемое поэтапное введение новых услуг, некоторые предусматриваемые вторым этапом услуги, скажем определение номера, уже стали доступны пользователям.

Следующий после второго этапа ю этап 2+ (phase 2+), характеризующийся тем, что новые функциональные возможности будут стандартизироваться и внедряться сразу же после подготовки их технических описаний. В Европейском институте стандартизации электросвязи (ETSI) сейчас ведется работа над 60 предложениями для GSM этапа 2+, среди которых:

улучшенное полноскоростное кодирование речи; высокоскоростная передача данных по коммутируемым каналам (High Speed Circuit Switched Data ю HSCSD); пакетная передача данных (General Packet Radio Service ю GPRS); сжатие данных; групповые и широковещательные вызовы; взаимодействие между системами GSM и DЕСТ.

Эта статья главным образом касается наиболее существенных деталей GSM этапа 2+ и освещает возможные направления развития GSM на пути к третьему поколению сотовых систем.

Развитие каналов передачи речи

Заложив фундамент технологии GSM, стандарты первого этапа обеспечили достаточно гибкую платформу для дальнейшего развития каналов передачи речи GSM. Перво начально для кодирования речи в GSM был выбран метод RPE-LTP (Regular Pulse Excitation ю Linear Predictive Coding), определяющий преобразование речевого сигнала в битовый поток со скоростью 13 Кбит/с. Этот выбор был сделан еще в 1987 г., когда уровень технологии кодирования речи с низкой скоростью битового потока был далек от современного. Однако, как показало время, метод кодирования был выбран достаточно разумно. В других стандартах сотовых сетей второго поколения, таких как японский PDC, североамериканские TDMA и CDMA, отправной точкой послужило кодирование с существенно более низкой выходной скоростью битового потока. Вообще говоря, более низкая скорость часто означает также и более низкое качество. А пользователи не очень хорошо относятся к низкому качеству речи в цифровых сотовых сетях. Тот факт, что некоторые системы передают речь с низким качеством, плохо повлиял на имидж всех цифровых сотовых систем второго поколения, включая GSM, поскольку, многие до сих пор считают, что проблема с качеством речи является общей для всех цифровых сотовых систем.

Сейчас, когда стало очевидным, что системы GSM имеют коммерческий успех, самое время продолжить совершенствование технологии передачи речи, а также начать разработку стандартов, повышающих гибкость и производительность систем в целом.

Улучшение качества речи

Реализованное в системах GSM полноскоростное кодирование речи предоставляет хорошее "сотовое качество" передаваемой речи. Однако благодаря быстрому развитию в течение последних нескольких лет алгоритмов кодирования речи с низкой скоростью битового потока сейчас стало возможным полностью избавиться от имиджа "сотового качества" и до стигнуть в сотовых сетях такого же качества речи, как в обычной телефонной сети.

Комитет Special Mobile Group (SMG) Института ETSI уже начал определять требования и рабочие процедуры для стандартизации метода улучшенного полноскоростного кодирования речи для систем GSM. В соответствии с графиком, предложенным Институтом, новый стандарт должен быть готов осенью 1996 г. (работы над этим стандартом были начаты весной 1995 г.). Ниже приведены некоторые требования, предъявляемые к новому кодеку:

качество речи должно соответствовать стандарту G.728 (G.728 специфицирует метод кодирования LD-CELP с выходной скоростью битового потока 16 Кбит/с); независимость уровня громкости от расстояния до базовой станции также должна определяться стандартом G.728; задержка за один проход из конца в конец должна быть не больше, чем в методе RPE-LTP.

График ETSI может показаться достаточно растянутым, и возникает вопрос, когда же новые кодеки будут реализованы в сетях GSM. Другой очевидный вопрос ю действительно ли стоит так долго ждать, пока технология кодирования речи с низкой скоростью битового потока достигнет уровня, соответствующего требованиям ETSI.

Один из ответов на эти вопросы можно получить, рассмотрев положение стандарта PCS-1900 в США. Следует заметить, что стандарты для низкоуровневых интерфейсов PCS-1900 практически совпадают со стандартами для GSM. Отличаются они лишь полосами частот. Однако полосы частот PCS-1900 и DCS-1800 близки, следовательно, вполне логично предположить, что существенных различий между этими системами в условиях распространения сигналов нет. Поэтому с точки зрения как качества речи, так и разработки кодеков речи системы DCS-1800 и PCS-1900 функционируют практически в одинаковых условиях. В США четыре производителя систем GSM (фирмы Ericsson, Motorola, Nokia и Northern Telecom) уже пришли к соглашению относительно использования единого кодека, обеспечивающего улучшенное полноскоростное кодирование речи. Этот кодек разработан фирмой Nokia и университетом г. Шербрук (Канада).

Новый кодек имеет выходную скорость битового потока 13 Кбит/с и использует уже существующую схему кодирования каналов. Результаты тестов показали, что новый кодек обеспечивает такое же качество речи, как и обычная телефонная линия, практически по всей зоне обслуживания систем GSM и даже на ее границах, в самых тяжелых условиях рас-пространения сигнала. На рисунке показано качество речевой информации, передаваемой при помощи нового метода, метода RPE-LTP и метода ADPCM со скоростью битового потока 32 Кбит/с. Метод кодирования ADPСM используется, например, в системе DECT.

Увеличение пропускной способности

С точки зрения передачи речи имеется еще одно направление развития GSM: дальнейшее уменьшение скорости битового потока кодированной речи и связанное с ним увеличение числа пользователей (число доступных речевых каналов) в системе. На это и направлена разработка кодирования с половинной скоростью. Выходная скорость такого кодирования с учетом кодирования каналов ровно в два раза меньше выходной скорости полноскоростного кодирования. Поэтому пропускная способность систем GSM может быть увеличена примерно в два раза. В то же время качество речи, сравнимое с качеством речи современных систем GSM с полноскоростным кодированием, достигается главным образом благодаря более развитой технологии обработки сигналов.

Техническое описание кодирования с половинной скоростью было одобрено Комитетом SMG в январе 1995 г. и сейчас опубликовано, хотя до окончательного принятия оно должно пройти ряд официальных процедур в Институте ETSI. Однако поскольку стандарт опубликован, в принципе, уже сейчас может начаться реализация соответствующих ему кодеков в конечных устройствах и инфраструктуре сетей GSM.

Увеличение размеров coт

На самом деле новое кодирование с половинной скоростью предоставляет еще одну интересную возможность дальнейшего развития речевых каналов GSM. Если при таком кодировании используется полноскоростной канал GSM, то может быть реализована дополнительная защита от ошибок (дополнительное кодирование каналов), что существенно повысит число исправляемых ошибок. Эта технология в настоящее время не зарегистрирована в ETSI.

На практике дополнительное кодирование каналов позволяет увеличить их потенциал (link budget) примерно на 5 дБ, что дает возможность увеличить радиус соты приблизительно в 1,4 раза и, соответственно, общую площадь соты в два раза. Эти вычисления показывают, что при помощи кодирования с половинной скоростью на полноскоростных каналах одну и ту же область в сельской местности можно об-служивать вдвое меньшим числом базовых станций, чем при полноскоростном кодировании. А это весьма важный фактор, снижающий стоимость развертывания новых сетей GSM. Недостатком такого подхода является то, что качество речи на площади увеличенной соты будет всего лишь качеством кодирования с половинной скоростью, то есть примерно таким же, как в существующих кодеках RPE-LTP. Ведь этот подход не позволяет использовать улучшенное полноскоростное кодирование.

Некоторые могут подумать, что вероятность успешного установления связи в увеличенных сотах значительно уменьшится по сравнению с нормальными сотами. Однако это не так. Дело в том, что в системах GSM каналы управления имеют бочльшую производительность, чем речевые. Поэтому вероятность установления связи заметно уменьшаться не будет.

Упомянутое выше предложение по использованию кодирования с половинной скоростью на полноскоростном канале можно применить не только для увеличения размера соты, но и для повышения устойчивости и расширения зоны надежной связи внутри зданий в структуре с нормальными размерами cот. Этот способ может быть очень привлекательным для повышения качества услуг, предоставляемых сетями GSM.

Развитие каналов передачи данных

Существующий стандарт GSM обеспечивает услуги по прозрачной (transparent) и непрозрачной (nontransparent) передаче данных со скоростью до 9,6 Кбит/с и вероятностью ошибки (Bit Error Rate ю BER) меньше 10-2 и 10-8 соответственно. Любое дальнейшее развитие каналов данных может, в принципе, идти по тому же пути, что и развитие речевых каналов, т. е. по пути улучшения качества передаваемой информации (уменьшение вероятности ошибки), увеличения емкости систем и размера сот. Однако в случае передачи данных увеличение емкости в первую очередь подразумевает повышение эффективности использования малоемких радиоканалов.

Все же наиболее важное и, наверное, самое заметное на правление развития каналов данных в сетях GSM заключается в увеличении скорости передачи. В 90- х годах стало понятно, что высокая скорость передачи является одним из ключевых требований новых приложений. Если существенно повысить скорость передачи данных в такой широко распро- страненной сотовой системе, как GSM, то для мобильных пользователей станет доступной целая область новых приложений, включая работу с мультимедиа. Ориентация на более высокую скорость передачи данных стала очевидной как для телефонных сетей общего пользования (PSTN), так и для сетей передачи данных. В области PSTN к последним достижениям относится разработка стандарта для модемов V.34, обеспечивающего скорость 28,8 Кбит/с. Что касается компьютерных сетей, то возросшая популярность World Wide Web в сети Internet демонстрирует, каким важным стало предоставление распределенных услуг. Передача текстовой информации может быть осуществлена с помощью современного сервиса пересылки данных сетей GSM, но ориентация значительной части услуг смещается в сторону обмена мультимедиа информацией, что требует намного бочльшей скорости передачи данных. Примерами приложений, требующих высокой скорости передачи, служат пересылка файлов и видео по требованию.

Повышение скорости передачи данных

Существует два различных подхода к повышению скорости передачи данных, разрабатываемых сейчас Комитетом SMG в рамках этапа 2+ развития GSM: передача данных по коммутируемым каналам (HSCSD) и пакетная передача данных (GPRS). Оба подхода направлены на достижение высокой скорости, что подразумевает возможность выделений до 8 полноскоростных временных слотов (все слоты кадра TDMA) для передачи данных одним пользователем. Это означает, что максимальная скорость передачи данных для HSCSD будет 8г9,6 Кбит/с, а для GPRS ю 8г22,8 Кбит/с.

С точки зрения операторов сетей GSM для реализации высоких скоростей передачи данных с небольшими затратами, т. е. без снижения емкости беспроводного интерфейса и без серьезных затрат на модификацию инфраструктуры, следует обеспечить высокую степень гибкости. Для HSCSD это означает, что оператор не должен резервировать одну или несколько несущих частот каждой базовой станции исключительно для пользователей, работающих с данными. Необходимо, чтобы сеть динамически выделяла таким пользователям максимально доступную полосу пропускания. Во время установления соединения пользователь (или приложение) может задать желаемую и

наименьшую допустимую скорость передачи данных. А уж дело сети обеспечить доступную в каждый момент времени полосу пропускания. Если приложение допускает изменение скорости передачи во время соединения, то эта скорость может быть динамически увеличена или уменьшена, например при переходе пользователя в новую соту, вследствие уменьшения или увеличения пропускной способности, затребованной для телефонных разговоров.

Для GPRS гибкость обеспечивается автоматически протоколом управления доступа к среде (Media Access Control), поскольку пропускная способность радиоканала выделяется для каждого пакета данных. К тому же разделение ресурсов между абонентами, использующими коммутацию каналов и коммутацию пакетов, может осуществляться намного динамичнее, чем разделение ресурсов между абонентами, использующими только коммутацию каналов. Если коммутируемый канал занят, то абоненту, рассчитывающему на его использование, может быть выделен канал GPRS. После освобождения коммутируемого канала канал GPRS опять станет доступен для пользователей, ориентирующихся на GPRS.

Динамичное распределение ресурсов между разными видами услуг, в принципе, повышает использование ресурсов, а это значит ю доходность сетей. Однако с первого взгляда может показаться, что описанная выше гибкая схема работы позволяет пользователям, работающим с данными, насладиться услугами высокоскоростной передачи только ночью, когда нагрузка в сети очень мала. Такая ситуация, конечно, не доставит радости клиентам и не сильно повысит прибыльность сетей. Поэтому с помощью примера стоит поближе посмотреть на эту схему. Предположим, что сеть сконструирована таким образом, что на каждый сектор базовой станции приходится две несущие. Это означает, что если для широковещательной передачи служебной информации используется один из 16 временных слотов, то в каждом секторе имеется 15 полноскоростных транспортных каналов. Предположим, что эта сеть рассчитана на уровень блокировок 2%, т. е. вероятность успешного установления соединения в час пик составляет 98%. А это означает, что даже в этот период времени в среднем около 6 транспортных каналов будет свободно. Эта свободная пропускная способность может быть выделена пользователям GPRS.

Увеличение размера соты

Снижая скорости передачи данных до стандартизированных величин 4,8 и 2,4 Кбит/с можно увеличивать размер сот. Уменьшение скоростей передачи данных следует той же концепции, которая была предложена для речевых каналов GSM: снижение "качества обслуживания" происходит в обмен на уменьшение стоимости развертывания сети и расширение обслуживаемой территории. Так, с уменьшением скорости передачи данных с 9,6 до 4,8 Кбит/с при сохранении величины вероятности ошибки (BER) можно увеличить размер соты за счет увеличения отношения полезного сигнала к шуму примерно на 3,5 дБ, а с уменьшением скорости до 2,4 Кбит/с ю на 5,3 дБ.

Дальнейшее развитие каналов передачи данных

Описанные выше технологии передачи данных, преду смотренные этапом 2+, существенно сокращают разрыв между системами GSM и сотовыми системами третьего поколения, по крайней мере в отношении предоставляемых услуг.

Самая важная и, возможно, самая сложная задача, стоящая перед создателями систем следующего поколения, ю разработка эффективной технологии для предоставления мобильным пользователям услуг по передаче данных с очень высокой скоростью, значительно более высокой, чем достигнута в системах второго поколения. С этой точки зрения часто рассматриваются следующие скорости передачи данных: до 144 Кбит/с для сотовых сетей большой площади и до 2 Мбит/с для систем, обслуживающих объекты с низкой подвижностью на небольшой по площади территории. Другими важными требованиями, предъявляемыми к системам третьего поколения, являются поддержка гибкого интерфейса и более высокое по сравнению с сетями второго поколения качество обслуживания.

Можно сказать, что определенная технологическая совместимость между GSM и высокоскоростным интерфейсом, работающим в полосе частот систем третьего поколения, принесет огромную пользу. Это позволит терминалам с такими интерфейсами работать в сельской местности с имеющимися сетями GSM или DCS, а высокоскоростной обмен данными осуществлять, используя частотную полосу, которая зарезервирована для систем третьего поколения. Операторы, производители терминалов и пользователи ю все выиграют от создания недорогих и простых терминалов, работающих в разных режимах и в разных полосах частот. Для упрощения совместимости при создании высокоскоростного интерфейса следует придерживаться нескольких основных правил, в частности использовать:

разнесение каналов GSM; похожие эквалайзеры для разных каналов; похожие методы обработки сигналов.

Для обеспечения успеха систем третьего поколения при создании их стандартов необходимо проявлять осторожность и заботиться о совместимости этих систем с системами второго поколения. Есть одно хорошее правило: если уж совместимость не обеспечивается, то новая технология должна быть по крайней мере в несколько раз лучше, чем технология, совместимая с GSM.

Технологии, описанные выше, в некоторой степени решают проблемы гибкости и улучшения качества. При движении в направлении систем третьего поколения эти базовые технологии будут развиваться и широко внедряться. Основная идея новых технологий состоит в том, что пользователь всегда должен обмениваться данными с максимально возможной скоростью. При хороших условиях распространения и низкой загруженности сети скорость передачи данных может быть увеличена путем уменьшения числа битов, используемых для кодирования канала. На границе сот должна реализовываться более сильная защита от ошибок (поэтому и более низкая скорость передачи данных) для достижения требуемого качества обслуживания. В основе эта идея схожа с идеей, касающейся увеличения размера соты. Конечно, повышение гибкости системы может быть реализовано в GSM и в более общем виде, для улучшения качества и увеличения площади обслуживания.

Другие тенденции

Выше мы обсудили современные технологии передачи речи и данных в сетях GSM, а также кратко коснулись возможных тенденций развития GSM в этом плане. Однако развитие GSM не ограничивается этими двумя аспектами. Другая важная область развития GSM ю разработка услуг, предусмотренных вторым этапом, о которых упомянуто в начале статьи. Реализация этих новых видов услуг демонстрирует большую гибкость первоначальной платформы GSM. Еще одна весьма существенная область, которой мы коснемся ниже, ю развитие GSM как системы в целом.

К этой области относится разработка средств взаимодействия систем DECT и GSM, призванных обеспечить соединение стационарного оборудования DECT с центрами коммутации подвижной связи GSM. Такое взаимодействие позволит достичь высоких скоростей передачи данных, расширения зоны уверенного приема внутри помещений и увеличения емкости систем мобильной связи там, где сдерживающим фактором является ограниченность частотного спектра. Также оно даст экономичные решения в области офисных услуг благодаря потенциально низкой стоимости учрежденческих АТС.

Взаимодействие между системами DECT и GSM ю это только одно из возможных решений проблемы ограниченной емкости. Сама система GSM может быть доработана (без каких-либо существенных изменений ее стандартов) для передачи трафика высокой плотности. В дополнение к использованию скачущей частоты и дискретной передачи (discontinuous transmission) широко распространенным методом увеличения емкости и зоны устойчивого приема сетей является иерархическая сотовая структура, т. е. перекрытие макро-, микро- и пикосот. Все из этих хорошо известных методов уже внедрены или будут внедрены в сети GSM , где емкость находится на пределе. Более того, существует несколько других методов, возможности которых до конца еще не изучены, например интеллектуальные антенны (SDMA ю Space Division Multiple Access) и динамическое выделение каналов (DCA ю Dynamic Channel Allocation). Оба метода обладают потенциалом для дальнейшего увеличения емкости систем GSM.

В этой статье показано, что сегодня GSM ю наиболее быстро развивающаяся система сотовой связи. Новые, отчасти революционные технические новшества, совместимые с GSM, могут быть и будут представлены в ближайшем будущем. Все это служит твердой основой для того, чтобы технология GSM стала единым реальным стандартом цифровых сотовых систем во всем мире.

Сейчас GSM развивается в направлении к третьему поколению сотовых систем. Наиболее существенное различие между развиваемой технологией GSM и третьим поколением систем состоит в предъявляемом к последним требовании очень высокой скорости передачи данных, вплоть до 2 Мбит/с. Это означает, что для обеспечения большой площади обслуживания сети GSM-900, DCS- 1800 и PCS-1900 могут быть использованы как компоненты систем сотовой связи третьего поколения. Это также означает, что высокоскоростной интерфейс для передачи данных сотовых систем третьего поколения должен разрабатываться таким образом, чтобы быть совместимым с GSM.

назад

April 29, 1999
Copyright © 1999 ТелекомПроект
Last modified: