Сотовая связь: какой мы увидим её завтра

Желание сделать связь повсеместной и доступной - причина, породившая создание и эволюцию сотовой связи. Первая попытка реализовать мобильную телефонию была предпринята в 1946 году в американском городе Сент-Луисе. Тогда был создан простой шестиканальный приёмо-передатчик. Только спустя 24 года учёные вновь взялись за разработку "беспроводной" телефонии. Принципы построения и работы сотовой сети были  четко обрисованы в 1975 году. Детищем почти 10-летней работы стал стандарт NMT (Nordic mobile telephone), который был предназначен для работы в диапазоне 453.0 - 457.5 МГц и имел 180 каналов связи широтой по 25 КГц каждый. В 1978 году Данией, Финляндией, Исландией, Норвегией и Швецией NMT был введен в качестве стандарта.

Несколько позже появилась модификация NMT-900, которая работала на частоте 900 МГц и имела ряд преимуществ перед первым стандартом NMT-450. В частности, появилась возможность создавать малогабаритные мобильные телефоны и повысилось качество связи.

К началу  80-х годов были созданы телефонные аппараты, позволявшие с помощью приемо-передающих баз-посредников (базовых станций) совершать звонки на другие телефоны. Эти устройства принадлежат к первому поколению сотовой связи, или, как его еще принято называть сокращенно, 1G.

Один из первых телефонов стандарта NMT-450 производства Nokia

Мобильные телефоны первого поколения были размером немногим меньше среднестатистического чемодана и состояли из базы и отдельной трубки, которую практически нельзя было носить с собой. Сейчас трудно себе представить такое чудо техники, которое весило несколько килограммов, излучало 20-30 ваттный сигнал и имело антенну размером 30-40 сантиметров в длину. Максимальная скорость передачи голоса составляла 9.6 Kbit/s, а скорость передачи данных равнялась 1.9 Kbit/s. На западном рынке стандарт NMT был представлен несколько иными стандартами (AMPS advanced mobile phone service) и TACS (total access communications system). Недостатками аналогового стандарта NMT являются высокий уровень излучения, чувствительность к интерференции сигнала и низкий уровень обеспечения конфиденциальности передаваемых данных.

2G

Решить проблемы сотовой связи первого поколения был призван стандарт 2G, разработкой которого занялись ещё до публичного внедрения сетей NMT.

В 1982 году на прошедшей конференции почтовых и телеграфных служб Европы была сформирована группа Groupe Special Mobile, или сокращенно GSM, целью которой ставилось разработать надежную и простую систему наземной мобильной связи. Система должна была предоставлять высокое качество передаваемых звуковых данных, простоту построения и обслуживания сотовой сети, поддержку работы с портативными устройствами, такими как PDA, ноутбуки и прочие, возможность реализации не только локального, но и международного роуминга, открытость для разработки новых сервисов, совместимость с системами стандарта ISDN и эффективное использование радиоэфира.

Право продолжить разработку стандарта было возложено на Европейский институт телекоммуникационных стандартов. В середине 1990 года были представлены спецификации стандарта GSM-900, который уже расшифровывался как Global System for Mobile telecommunications. В будущем появился эволюционный стандарт GSM-1800, который использовал частоту 1800 МГц. Увеличение частоты радиосигнала в 2 раза позволило увеличить плотность абонентской базы в 4 раза.

GSM-900 накладывает некоторые ограничения на удаленность мобильного телефона от базовой станции, которая не может превышать 35 км даже при достаточной мощности сигнала. Это связано с отбраковыванием пакетов с просроченным временем жизни. У стандарта GSM-1800 зона охвата ещё меньше: порядка 6-10 км. NMT не имеет подобных ограничений и в идеальных условиях связь может быть осуществлена и на расстоянии 200 км (проверено на опыте). Следует отметить еще и тот факт, что уменьшение покрытия в 2 раза позволяет увеличить плотность абонентской базы в такое же количество раз. Известна особая конфигурация базовых станций, называемая Extended Cell, при которой дальность связи может быть увеличена до 70-100 км, однако при этом  количество одновременно обслуживаеых абонентов не может превышать 2-3.

Уникальностью нового стандарта GSM является именно то, что он впервые стал использовать цифровую сотовую систему, в отличие от уже существовавших аналоговых. Практическое его применение началось в 1991 году.  Скорость передачи данных в сети повысилась с 1.9 Kbit/s до 14 Kbit/s, что позволило использовать мобильный телефон, который к тому времени уже можно было назвать таковым, модем или факс, а также впоследствии пользоваться и WAP-сервисами.

Изначально в GSM была заложена большая гибкость относительно количества и спектра предоставляемых сервисов. Именно с приходом нового стандарта появился сервис коротких сообщений, или SMS. Услуга позволила обмениваться текстовыми сообщениями длиной до 160 символов. На основе протокола SMS появился так называемый broadcasting - рассылка новостей или другой требуемой информации всем абонентам сети. Дополнительную гибкость придало использование SIM-карт (Subscriber Identity Module), что позволило привязать к сети не сам телефонный аппарат, а небольшой модуль, содержащий международный идентификатор пользователя мобильных услуг.

Помимо GSM, распространение получили стандарты TDMA (time division multiple access),  CDMA (code division multiple access) и  PDC (personal digital cellular).         

TDMA

Расскажем несколько подробнее о технологии TDMA (Time Division Multiple Access) - Параллельный доступ с распределенным временем. В июле 1989 года TDMA был принят несколькими крупными мобильными компаниями США как замена существующим аналоговым стандартам, что можно считать первым вводом в коммерческую эксплуатацию подобных сетей.

TDMA - это технология передачи цифрового сигнала, которая позволяет избежать явлений интерференции и позволяет самым эффективным способом использовать радиосигнал. Принцип работы состоит в следующем - при звонке телефону выделяется частотный канал, который делится на равные микро-промежутки времени, называемые таймслотами. В момент, когда один телефон по каналу передаёт закодированный аудиосигнал  - остальные ждут своей очереди. В следующий промежуток времени передает следующий телефон и так далее. Таймслоты имеют такой размер, который позволяет незаметно для человеческого восприятия делить эфир. Достоинства TDMA:

• самый эффективный, простой и окупаемый стандарт для перехода от аналоговой передачи сигнала AMPS к цифровой;
• передача данных на скорости от 64 kbps до 120 mbps;
• отсутствие явления интерференции от других телефонов;
• продленное время работы от батарей, основанное на периодической посылке сигналов, в отличие от сетей 1G, где сигнал передаётся на протяжение всего эфирного времени;
• высокая ёмкость сети.

Наряду с достоинствами, у технологии есть свои недостатки:

• невозможность в некоторых случаях продолжать разговор при переключении между базовыми станциями;
• возможность интерференция от зданий вследствие передачи сигнала одновременно на несколько доступных базовых станций;

TDMA совместим со многими стандартами сотовых сетей, и его принципы используются в некоторых технологиях сетей третьего поколения. Заложенные при его создании гибкость, надежность, масштабируемость повлияли на распространение стандарта, который частично используется в европейском GSM и технологиях сетей 3G и 3.5G. 

CDMA

Стандарт CDMA можно назвать прямым конкурентом TDMA. Принцип, по которому передается сигнал в этом типе сетей, относится к военным технологиям и используется в военных спутниках. Впервые сети CDMA появились все в тех же Соединенных штатах буквально на несколько месяцев позже TDMA, и до сих пор его модификации продолжают существовать и модернизироваться. Повышенная емкость сети и легкость построения обусловили быстрое распространение стандарта, и уже к 2003 году количество его пользователей составило более 150 000 000.

Принцип работы CDMA позволяет избежать явления интерференции, повысить количество одновременно обслуживаемых абонентов и защитить передаваемую информацию. Во время звонка информация в закодированном виде от телефона передаётся сразу на несколько доступных базовых станций, что позволяет выбрать самый «правильный» пришедший пакет. Кроме того, передаваемый сигнал распространён в частотно-временном пространстве, в отличие от других радио-технологий, где вся мощность сигнала концентрируется  на выбранных частотах или временных интервалах. Фактически в эфире будет слышен только шум, из которого крайне сложно выделить полезный сигнал, что придаёт этой технологии высокий уровень защиты от прослушивания. Скорость передачи данных в этом типе сетей варьируется от 9.6 Kbit/s до 1.23 Mbit/s.

Технология CDMA практически не имеет недостатков, обеспечивает высокую надёжность передачи данных и голоса, требуемый уровень защиты данных и бесшовное переключение между базовыми станциями. Принципы сетей CDMA широко используются в технологиях сетей третьего поколения.

2.5G

Приход на рынок сетей второго поколения и возникшая необходимость мобильного доступа в сеть Интернет обусловили развитие сотовой связи в направлении увеличения скорости передачи данных. Ещё в далёком 1985 году началась разработка семейства стандартов 2.5G, которые по сути дела являются надстройкой для сетей второго поколения. Нам стандарт 2.5G известен под аббревиатурой GPRS (general packet radio system), EDGE (enhanced data for global evolution), 1xRTT (2.5G CDMA data service). Максимальная скорость передачи данных, которую позволяют достигнуть эти стандарты, составляет 384 Kbit/s.

Технология GPRS позволяет одновременно разговаривать по телефону и передавать данные. Это стало возможно благодаря более эффективному использованию радиополосы и новым способам кодирования. Ещё одной особенностью сервиса стало отсутствие необходимости каждый раз дозваниваться до провайдера. Телефон всегда находится в режиме онлайн, но передает данные только тогда, когда это требуется. Эта схема работы позволяет обслуживать одновременно гораздо больше клиентов, чем в случае с использованием GSM сетей второго поколения.

Как у любой системы, у GPRS есть свои недостатки:

1. Максимальная теоретическая скорость, которую может достигнуть GPRS-соединение, составляет 172.2 Kbit/s. Реальная скорость редко поднимается выше 48-50 Kbit/s, что связано с избыточностью передаваемых даных, которая обеспечивает защиту от ошибок и содержит управляющую информацию;
2. GPRS использует неэффективную на сегодняшний день технологию модуляции GMSK (Gaussian minimum-shift keying). Более современный сервис EDGE использует более совершенную технологию 8 PSK (eight-phase-shift keying), что позволяет достигнуть более высоких скоростей передачи данных.

Главным же достоинством семейства 2.5G является возможность разрабатывать и внедрять совершенно новые сетевые сервисы, работа которых была бы попросту невозможна в предыдущем поколении стандартов. Средней для GPRS скорости в 48 Kbit/s вполне может хватить для общения с помощью IRC или IM-клиента, что на практике оказывается куда более удобно, чем обмениваться SMS, интернет-серфинга с помощью веб-браузеров и даже для онлайн-видео- или радиовещания. Но главное, что позволили осуществить сети 2.5G - положить начало процессу объединения Internet и сотовых сетей. 

3G, 3.5G

Быстрорастущие потребности в широкополосном доступе в интернет породили дальнейшее развитие сотовой связи. В результате разработки сетей 3G и 3.5G появилось несколько различных стандартов: CDMA (Code Division Multiple Access) 2000, UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) и WCDMA (Wide CDMA). Другое официальное название сетей третьего поколения - IMT-2000.

Семейство стандартов должно было обеспечить высокую скорость симметричной и асимметричной передачи данных внутри сети, поддержку пакетной и канальной модуляции для интеграции с IP сетями,  компактность и эффективность использования предоставленного спектра, возможность глобального роуминга.

В характеристиках стандартов семейства 3G существует разделение по скорости передачи данных при разных состояниях подвижности абонента:

Приход сетей третьего поколения позволил разрабатывать инновационные сервисы, внедрение которых в сетях 2 и 2.5G было попросту невозможно вследствие низкой пропускной способности радиоканала и невозможности или малой эффективности от  применения QoS (Quality of Service).

К числу таких сервисов относятся:

• видеозвонки;
• видеоконференции;
• мобильный и быстрый доступ в интернет;
• потоковое вещание (streaming);
• мобильное телевидение;
• звонки с улучшенным качеством передаваемых аудиоданных;
• новый виток развития мобильной электронной коммерции;
• мобильная связь работников с корпоративными сетями;
• возможность предоставления интернет-сервисов пользователям мобильной сотовой связи.

Эффективность сетей третьего поколения доказана высоким спросом в странах, где они распространены. При невысокой себестоимости оборудования абонент может получить доступ в Интернет на скорости до 2 Mbit/s, возможность пользоваться видеозвонками и смотреть любимый телеканал в свободное время. Одной из целей, поставленных перед сетями 3G, является осуществление глобального покрытия, когда абонент будет в зоне покрытия в любой точки Земли. Возможности на самом деле уникальны, учитывая специфику и уровень развитий высоких технологий на просторах СНГ.

Большую роль в быстром развитии сетей 3G сыграли производители мобильных телефонов, которые стали встраивать в телефоны стандартов 2G возможность работы с технологиями  UMTS, CDMA2000, WCDMA. Таким образом, покупая обычный телефон бизнесс-класса, человек получал возможность работы в сетях как второго, так и третьего поколения. Такой подход смог бы ускорить переход от 3G к 4G, поэтому в скором будущем можно ожидать таких новинок на рынке мобильной техники.

В настоящее время широкое распространение сети 3G получили в странах Восточной Азии и Америке. Эксперты предполагают, что число абонентов WCDMA сетей должно увеличиться к 2007 году до 90 миллионов человек, в основном в Японии и европейских странах, а массовое внедрение стандартов UMTS, CDMA2000, WCDMA произойдет не раньше 2008 года. До этого времени провайдеры услуг сотовой связи смогут сделать "перевооружение" парка оборудования, а пользователи услуг приобретут телефоны, поддерживающие новые технологии. В данный момент развитые европейские страны уже предоставляют услуги связи при помощи технологий третьего поколения, однако их цена все ещё оставляет желать лучшего.

В ожидании появления на рынке сетей 4G совершенствуются существующие стандарты 3G. Компания NTT DoCoMo обещает к 2007 году ввести в коммерческую эксплуатациию технологию HSPDA, которая относится к поколению 3.5G. Она позволит принимать данные со спутника со скоростью до 14 MB/s; а к концу года планируется появление оборудования, способного увеличить эту скорость до 100 MB/s. В настоящее время многие операторы сотовой связи уже построили и запустили в тестовом режиме сети HSPDA. Стоит отметить, что в силу своей гибкости данная технология не покинет рынок ещё лет 5-6 до массового внедрения сотовой связи четвертого поколения.

4G

Рост Интернета, количества и качества интерактивных сервисов предполагает одновременное расширение каналов связи, которые связывают пользователя со всемирной паутиной. Теперь, когда скорости передачи данных модно измерять мегабайтами и гигабайтами в секунду, прежние технологии отходят в историю и на смену им приходят новые, которые позволяют связать все устройства воедино и управлять ими централизованно. Такие сервисы как онлайн-вещание популярных теле- и радиоканалов, VoIP-телефония становятся всё привычнее и доступнее обывателю. Несмотря на то, что число пользователей широкополосного доступа в интернет всё ещё составляет небольшой процент от общего числа, однако их количество всё время растёт. На прошедшей в 2006 году конференции IDF в Москве были представлены официальные результаты исследований, которые показывают быструю динамику роста сети Интернет, что свидетельствует о высокой его востребованности.

Диаграмма роста спроса на интернет-услуги

Разработанные технологии передачи данных для сетей 3G уже в некоторых случаях не могут справиться с поставленными перед ними задачами. И если для обычного пользователя задержки в передаче данных могут не играть роли, то для бизнес-приложений задержка на секунду может стоить тысяч или даже миллионов долларов. В таких ситуациях технологий UMTS, CDMA2000 и WCDMA оказывается недостаточно для быстрорастущих потребностей. Использование же стандарта 802.11 a/b/g, который в некоторой мере мог бы улучшить ситуацию, ограничено несколькими показателями, главным из которых является расстояние до точки доступа.

Одной из главных целей, которые учитывались при разработке семейства стандартов 4G, является объединение всех видов коммуникаций в одну структуру, схему которой можно наблюдать на рисунке ниже:

Схема интеграции сетей

Сети Wi-Fi, 3G, спутниковое видео- и аудиовещание, сети Wi-MAX и сети четвертого поколения будут взаимодействовать  через комплекс устройств, называемый Internet Gateway Router, задачей которого является создание среды для прозрачного использования всех названных выше технологий и связи сетей Internet с наземными телефонными линиями. Это позволит использовать не дорогостоящие технологии для передачи больших объемов данных, а уже существующие IP-сети, что, несомненно, должно сказаться на стоимости обслуживания сотовых сетей.

На пути разработки 4G было несколько препятствий, которые заключались в поиске новых эффективных способов использования радиоэфира, алгоритмов сжатия и передачи данных. Стоит отметить, что изначально сотовые сети были предназначены для передачи голоса, поэтому простым повышением мощностей оборудования весомых результатов добиться было нельзя. Главными нововведениями в сотовой связи четвертого поколения являются: технология уплотнения с ортогональным частотным разделением кодированных сигналов и использованием переменного фактора распространения (Variable-Spreading-factor Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing, VSF-Spread OFDM), а также система множественного ввода/вывода (Multiple Input Multiple Output, MIMO). Технология VSF-Spread OFDM позволяет использовать одновременно несколько частотных диапазонов, что дает возможность увеличить пропускную способность канала в несколько раз. Технология MIMO позволяет передавать информацию сразу по нескольким маршрутам от или к базовым станциям

Экспертами обещается массовое распространение технологии 4G в 2006-2007 году, однако о всеобщей коммерческой эксплуатации пока говорить не стоит. Предполагается, что не ранее 2010 года стоит ожидать падения цены до $100, поэтому пока основными потребителями сетей четвертого поколения станут крупные предприятия и корпорации.

На данный момент явным конкурентом сетей 4G является разработанный стандарт беспроводной передачи данных WiMAX или, как его ещё называют, IEEE802.16. До появления устройств, работающих с мобильной реализацией стандарта WiMAX 802.16e, цена на которые была бы сравнима с ценой оборудования для сетей третьего поколения, широкой доступности стандарта среди обычных обывателей можно не ожидать. Ведь не каждый смог бы отдать от $600-1000 за набор клиентского оборудования, получив при этом смутные выгоды в плане скорости и качества услуг. В первую очередь это связано с реализацией технологии WiMAX, у которой есть ряд недостатков. В особенности они будут проявляться в большом городе с высокой плотностью населения.

Сейчас приведем некоторые цифры, чтобы подтвердить слова, сказанные выше. Радиус покрытия одной базовой станции технологии WiMAX  в городе составляет в среднем 4 километра. На этой территории может проживать приблизительно 180 000-240 000 человек. Если выдать каждому пользователю канал шириной в 1 Mbit/s, то максимальное количество одновременно  обслуживаемых клиентов будет составлять приблизительно 1900 человек из 240 000.

В некоторых регионах до реализации WiMAX существовали сети, называемые pre-WiMax, которые из-за высокой стоимости малоизвестного абонентского оборудования так и не стали популярны.

В такой ситуации сети третьего и четвертого поколения для обычного пользователя выглядят намного привлекательнее. Несмотря на то, что предлагаемые сервисы UMTS,WCDMA и CDMA 2000  позволяют развить скорости всего лишь до 2 Mbit/s по сравнению с конкурентом WiMAX, её в большинстве случаев оказывается достаточно для удобного серфинга в сети Интернет и доступа к предоставляемым на сегодняшний день сервисам. Реализация и внедрение сетей четвертого поколения позволит передавать данные в несколько раз быстрее, чем это можно делать сейчас. К примеру, при тестировании компанией NTT DoCoMo первой сети 4G, пропускная способность канала связи составила 1 Gbit/s при статичном состоянии абонента. Такая скорость объясняется тем, что в сетях четвертого поколения используется только эффективная пакетная передача данных в отличие от существующей сейчас пакетной передачи, совмещенной с передачей голосового трафика. Это позволило отказаться от "тормозящих" технологий и заменить их более производительными, оставив и улучшив при этом их функциональность.

По последним данным, при тестировании 4G сети была достигнута скорость 1Gbit/s к абоненту при скорости передвижения до 20 км/ч, что является крайне высоким показателем для существующих технологий.

Гигабитные беспроводные сети уже рядом. Вкупе с глобальным роумингом они принесут огромные скорости передачи данных, совершенное качество передаваемого голоса и видео, позволят объединить существующие сети в одну сложную структуру. Любой человек, имеющий мобильный телефон, сможет приобщиться к глобальным процессам, порожденным сотовой связью четвертого поколения.

Вывод

Что  же предложат нам сотовые сети четвертого поколения?  Ничего революционного ждать не приходится, кроме улучшения сервисов, предоставляемых сотовой связью 3G. Улучшенное качество видеозвонков и голоса, более высокие скорости доступа в Интернет, чем существующие сейчас, глобальный роуминг, связь корпоративных сетей. В любом случае сложно себе представить, куда можно потратить выделенные для телефона 100 мегабит. В условиях достаточно высоких цен на доступ в Интернетв нашей стране такую ширину канала среднестатистический пользователь оплатить не сможет, а для связи существующих сетей предприятий вполне достаточно 5-10 мегабит, которые могут предоставить pre-WiMAX сети и Wi-Fi. Поэтому можно считать, что стандарт 4G разрабатывался на далёкую перспективу и все его ресурсы не будут исчерпаны ещё очень долго.

За промежуток в 20 с лишним лет сотовая связь превратилась из обычного примитивного средства связи в высокоскоростную технологию, способную значительно упростить и улучшить жизнь людей. Приход сетей четвертого поколения можно считать новой вехой в эволюции не только в сотовой связи, но и в жизни многих людей, которые приобретут новый уровень мобильности и доступности. Бизнес станет по-настоящему контролируемым благодаря высоким скоростям передачи данных с минимальными задержками, что позволит избежать промахов и предупредить критические ситуации. Жизнь без проводов – таков девиз нового тысячелетия.

Обсуждение статьи на форуме