Сегодня же ситуация изменилась кардинально. Так, по статистике, в странах Евросоюза на каждые 100 человек приходится в среднем 95 мобильных телефонов, а в целом по планете почти половина землян — 3,3 миллиарда абонентов — пользуется сотовой связью. Мало того, что мобильный телефон есть фактически у каждого (а у многих и несколько), люди уже настолько привыкли к повсеместной «мобилизации», что отсутствие сети здесь и сейчас вызывает удивление и почти физический дискомфорт.
На сегодняшний день можно констатировать практически повсеместный охват обжитой части планеты сетями сотовой связи. В первую очередь это касается сетей стандартов GSM (от английского Global System for Mobile Communications — глобальная система мобильной связи). Это наиболее распространенная система мобильной связи второго поколения (или как принято сейчас обозначать — 2G). Ко второму поколению она относится, поскольку сменила более ранние аналоговые системы связи.
Поскольку, как уже было сказано, развитие систем второго поколения фактически завершено: мир поделен довольно тщательно, все лакомые участки суши покрыты сетью, а то что не покрыто, чаще всего и не стоит потраченных средств. Встает вопрос: что дальше?
Естественно, развитие техники и аппетиты бизнеса не остановить. И мобильная связь получила толчок к дальнейшему развитию через внедрение услуг широкополосной связи (передачи произвольных, а не только голосовых, данных на высоких скоростях). Сей резкий поворот не вписался в архитектуру стандарта GSM. Поэтому поставщики услуг мобильной связи начали развертывание сетей нового поколения (естественно, 3G).
Не смотря на то, что история развития сетей третьего поколения еще очень коротка (первые коммерческие сети 3G заработали в Японии и Южной Корее в 2002–м году), развертывание сетей в Европе, Юго–Восточной Азии и Северной Америке еще далека от завершения, уже сформированы принципы построения сетей следующего, четвертого, поколения. Скорость внедрения новых технологий просто поражает!
Осталось только разобраться, что скрывается за этой чехардой всевозможных G. Что это сулит конечным потребителям и стоит ли гнаться за этими новшествами?
Чтобы ответить на эти вопросы, стоит для начала понять как вообще работает сотовая связь? Что меняется от поколения к поколению?
В начале было...
Нет, не слово. В начале была система связи, это самое слово передающая. И, естественно, эта система связи была аналоговой (а чего вы хотите, ведь на дворе был самый разгар XX века). Общественные сети радиотелефонной связи существовали в различном виде давно. В США первая подобная сеть была создана в Детройте в 1921 году для нужд полиции города. В СССР с 1963 года существовала система «Алтай».
Все эти сети имели ряд общих проблем, связанных с самим характером связи: анало-говая радиосвязь чувствительна к шумам (которых всегда предостаточно в эфире), кроме того она неэффективно использует доступный спектральный диапазон. А это снижает ее емкость.
Простой и изящный выход был в переходе на сотовую систему связи, которая позво-ляла повторно использовать свободные радиочастоты: если пользователь «сидит на какой-то частоте» и общается с 1-й базовой станцией, то у 2-й станции (находящейся достаточно далеко от абонента) эта частота свободна, ее можно временно отдать другому абоненту. Это позволяет существенно увеличить емкость сети.
Впервые частоты для сотовой связи были выделены в городе Чикаго (США) в 1974 году (полоса частот в 40 МГц в диапазоне 800 МГц). В 1978 году в этом диапазоне начала работать опытная сеть общественной радиотелефонной сотовой связи на 2 тысячи абонентов. С этого момента принято отсчитывать начало практического применения сотовой связи.
Базовые принципы сотовой связи (GSM)
Но для того, чтобы сотовая связь действительно «вышла в народ» и приняла тот облик, в котором мы ее привыкли воспринимать, потребовалось не много не мало «цифровая революция». Как уже было сказано, аналоговая связь весьма чувствительна к помехам и плохо утилизирует доступный диапазон частот. Обе проблемы решаются «одним махом»» при переходе от аналоговой связи к цифровой. Итак, наш следующий герой — стандарт GSM.
Зарождение GSM
По современным меркам это очень древний стандарт. Страшно подумать: работать над ним начали аж в начале восьмидесятых годов XX века. В 1982 году Европейская конференция администраций почт и электросвязи (СЕРТ), организация, объединяющая администрации связи 26 стран, создала специальную группу Groupe Special Mobile (именно так изначально расшифровывалась аббревиатура GSM). А первая коммерческая GSM–сеть заработала в Германии в мае 1992 года.
Радиоинтерфейс GSM
Для начала радиочастотная составляющая: всего в мире используется 4 рабочих диа-пазона: 900 МГц/1800 МГц (Европа и Азия) и 950 МГц/1900 МГц (обе Америки и часть Афри-ки). Вся полоса частот доступная для мобильной связи (890 — 960 МГц для GSM900 и 1710 — 1880 МГц для GSM1800) разделена на два диапазона передачи и приема. Каждая из этик двух полос, в свою очередь, делится на каналы по 200 кГц шириной, таких каналов оказывается 124 шт. в стандарте GSM900 и 374 — в GSM1800 (именно это делает сети GSM1800 и GSM1900 более «вместительными»). Таким образом, каждый сеанс связи огра-ничен узкой полосой спектра, а значит и пропускной способностью.
Сеть сотовой связи состоит из большого числа приемопередатчиков разбросанных по карте, зоны обслуживания соседних приемопередатчиков частично перекрываются. Принцип повторного использования частот в сети позволяет добиться высокой плотности трафика на больших территориях. Поскольку мощность передатчика телефона ограничена, качество покрытия сети зависит от плотности размещения базовых станций, каждая из которых обслуживает небольшую территорию. Несколько базовых станций объединяются в ячейку, часто представля¬емую в виде правильного шестиугольника. Совокупность таких ячеек на карте похожа на пчелиные соты. Отсюда и это вид связи получил свое название — сотовая связь. Размер каждой соты варьируется в зависимости от характера местности, характеристик используемого оборудования и прочих факторов и может быть от 400 м до 50 км.
Структура сети GSM
Основными частями системы GSM являются
- подсистема базовых станций (BSS — Base Station Subsystem),
- подсистема коммутации (NSS — Network Switching Subsystem),
- мобильная станция, она же «сотовый телефон» (MS — Mobile Station).
Подсистема базовой станции обеспечивает непосредственное соединение с мобильной станцией, а коммутационная подсистема обеспечивает комму¬тацию соединений между абонентами мобильных станций и абонентов мобильных станций с абонентами телефонных сетей общего пользования и наоборот.
В принципе, изначально сети GSM разрабатывались в расчете на то, что мобильные станции будут передавать принимать весьма небольшой трафик (голосовая связь, SMS, факсы). Потребность в передачи больших потоков данных вынудило разработчиков вне-дрить в первоначальный стандарт новую подсистему — GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) — и добавить к первоначальной архитектуре еще один структурный элемент — GPRS Core Network.
Это позволило «малой кровью» модернизировать существующие сети и предложить клиентам новые сервисы, связанные с передачей больших потоков цифровых данных: начиная с чтения e-mail мобильного доступа к социальным сетям и заканчивая различными онлайн-сервисами вроде информации о пробках на дорогах в реальном времени.
GSM+ = GPRS
Сам по себе принцип работы GPRS прост: информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы, что позволяет более эффективно использовать ресурсы сети GSM. Но, красота и гармоничность внедрения принципов GPRS в сети GSM сразу же накладывает свои ограничения: скорость передачи/приема данных ограничена возможностями сети GSM (ведь, по сути не было добавлено ничего нового, просто более эффективно используется то, что есть). А возможности GSM по передаче данных более чем ограничены: в системе GSM используется принцип временного разделения кана¬лов с множественным доступом (TDMA — Time Division Multiple Access). Это значит, что на одном канале одновременно «сидит» несколько участников связи, информация (что голос, что SMS) передается короткими пакетами и в едином потоке могут идти «вперемешку» пакеты разных участников сеанса связи, разделенные по времени, и разделяются они уже на принимающей стороне. Так вот, теоретический максимум (при условии, что весь канал занят передачей данных) составляет 171,2 кбит/c (как следствие тех самых 200 кГц/канал). Не много. Повторюсь: это фундаментальное ограничение, связанное с принципами работы сетей GSM и улучшить их без потери совместимости с существующими сетями и службами не представляется возможным. Проще построить сеть заново, уже с учетом современных требований.
Дальнейшее развитие сетей сотовой связи (3G — UMTS)
Исходя именно из этого принципа, в районе 2001 года начались работы над сетями третьего поколения. И уже в 2002 году первые сети 3G начали работать в Японии и Южной Корее, а с конца 2003 года — и в США. Так что отличает сети 3G от старого доброго GSM?
Прежде чем искать ответ на этот вопрос, стоит определиться, что такое 3G. Начать с того, что это скорее маркетинговый, нежели технический термин, а потому несколько расплывчатый. Стандартов сетей третьего поколения существует как минимум два: это приня-тый в США и ряде странах Юго-Восточной Азии стандарт CDMA2000 и, обосновавшийся в Европе UMTS/WCDMA. Общие принципы обоих форматов сходны и базируются на использовании технологии CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодо-вым разделением).
3G — кодирование решает всё
СDMA использует шумоподобные сигналы с расширенным спектром (что обеспечива-ет им помехозащищенность и высокую степень утилизации доступного канала связи). Технология мультидоступа с кодовым разделением каналов, в основе которой лежит ортогональное разделение сигналов, известна давно. В СССР первая работа, посвященная этой теме, называлась «Основы теории линейной селекции» была опубликована в сборнике ЛЭИС еще в 1935 году, а ее автором был Дмитрий Васильевич Агеев. А уже после войны в течение долгого времени технология CDMA использовалась в военных системах связи как в СССР, так и в США, поскольку обладала многими ценными для таких систем преимуществами. Технология с ортогональным кодовым разделением сигналов позволяет чрезвычайно эффективно использовать доступную полосу частот, добиваясь крайне высоких характеристик спектральной эффективности. А это означает, что используя туже полосу частот, что и «старичок» GSM сеть нового поколения на основе CDMA может обеспечить большую скорость передачи данных (или более надежную их передачу за счет использования помехоустойчивого кодирования с большой избыточностью).
Поскольку в России разворачиваются сети UMTS, на их примере мы и рассмотрим что такое 3G. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System — Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система), — технология сотовой связи, разработана Европейским Институтом Стандартов Телекоммуникаций для внедрения 3G в Европе.
Как уже говорилось выше CDMA (и его широкополосная реализация WCDMA) обеспе-чивают более полую утилизацию канала связи, так что могут себе позволить выделение под каждого абонента сети более широкого канала: в отличае от GSM, UMTS выделяет для работы каждого телоефона в сети каналы по 5 Мгц шириной, что сразу же поднимает скорость теоретическую пиковую скорость обмена до 21 Мбит/с. Правда на практике используется максимальная скорость 7,2 Мбит/с, но и это уже совсем не плохо, особенно на фоне GPRS.
Структура сети UMTS
Структурная схема сети UMTS:
По своим функциям элементы сети группируются в сеть радиодоступа (RAN, UMTS территориального уровня - UTRAN), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и в базовую сеть (CN - Core Network), которая обеспечивает коммутацию и маршрутизацию вызовов и каналы передачи данных во внешние сети. Чтобы завершить систему, определяются оборудование пользователя (UE – User Equipment), которое взаимодействует с ним, и радиоинтерфейс (Uu - UMTS air interface).
Интересная архитектурная особенность UMTS заключается в том, что функции внутри элементов сети подробно не определяются. Вместо этого определены интерфейсы между логическими элементами сети. Определены следующие основные открытые интерфейсы (чтобы интерфейс был «открытым», существует требование, чтобы он был определен на уровне такой детализации, что оборудование в конечных точках может быть поставлено разными изготовителями):
- Интерфейс Cu. Это электрический интерфейс между интеллектуальной платой (смарт-карточкой) USIM (модуля идентификации абонента сети UMTS) и ME. Интерфейс удовлетворяет формату стандарта для смарт-карточек.
- Интерфейс Uu. Это радиоинтерфейс WCDMA. Интерфейс Uu — это интерфейс, через который UE получает доступ к стационарной части системы. Представляется, что изготовителей UE будет гораздо больше, чем изготовителей элементов стационарной сети.
- Интерфейс Iu. Он соединяет UTRAN с CN. Подобно соответствующим интер-фейсам в GSM, A (для коммутации каналов) и Gb (для коммутации пакетов), от-крытый интерфейс Iu дает операторам UMTS возможность производить закупку UTRAN и CN у разных производителей. Создание конкуренции в этой области явилось одним из факторов, обусловивших успех GSM.
- Интерфейс Iur. Открытый интерфейс Iur позволяет осуществлять мягкий хэндовер (когда телефон покидает зону действия одной базовой станции и передается «с рук на руки"» другой базовой станции) между RNCs от различных производителей, и поэтому он дополняет открытый интерфейс Iu.
- Интерфейс Iub. Iub соединяет узел B и RNC. UMTS является первой коммерческой системой подвижной телефонной связи, где интерфейс контроллер-базовая станция стандартизован как полностью открытый интерфейс. Ожидается, что подобно другим открытым интерфейсам, открытый интерфейс Iub будет стимулировать конкуренцию между производителями оборудования в этой области. Вероятно, что на рынке появятся новые производители, сосредоточивающие усилия исключительно на изготовлении узлов B.
Перспективные сети сотовой связи (4G)
Как известно недальновидность стоит очень дорого, и чем дольше продолжает жить решение, нуждающееся в радикальной замене, тем дороже эта самая замена обходится. Сейчас мы все являемся тому свидетелями: сети GSM изначально не были приспособлены для передачи данных (да и о какой мобильной передаче данных могла идти речь в 1980-х?). Как следствие, нынешняя острая потребность в этой самой передаче данных вынуждает поставщиков услуг связи вкладывать многие сотни миллионов долларов в построение принципиально новых сетей 3G, не совместимых с GSM. Эти затраты неподъемным грузом ложится на их плечи и страшно замедляют развертывание новых сетей.
Обжегшись однажды, разработчики не желают повторять старых ошибок, стараются «думать на два шага вперед». Именно поэтому уже сейчас, когда развитие сетей третьего поколения еще, фактически, только начинается, уже полным ходом идет работа над сетями следующего, четвертого, поколения.
На сегодняшний момент основные усилия разработчиков сосредоточены на стандарте LTE (Long Term Evolution — что можно перевести как «долгосрочная эволюция»). До недав-него времени одним из конкурентов на звание перспективного стандарта 4G выступал WiMAX, но сегодня ему отводится скорее роль нишевого решения для широкополосного беспроводного доступа.
LTE — технология построения сетей беспроводной связи поколения, следующего за 3G, на базе IP-технологий, отличающаяся высокими скоростями передачи данных (теорети-ческая скорость передачи данных — 326,4 Мбит/с на приём, и 172,8 Мбит/с на отдачу, в ме-ждународном стандарте прописана поддержка 173 Мбит/с на приём и 58 Мбит/с на отдачу). Соответствующий стандарт разработан и утвержден международным партнерским объеди-нением 3GPP.
OFDM — система кодирования нового поколения
Так в чем же главная «фишка» LTE? Как и в случае сетей 3G с технологией CDMA, краеугольным камнем LTE является технология кодирования и передачи данных — OFDM-MIMO. Что это такое? OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing — ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием) - цифровая схема модуляции, ко-торая использует большое количество близко расположенных ортогональных поднесущих. Каждая поднесущая модулируется по обычной схеме модуляции (например, квадратурная амплитудная модуляция) на низкой символьной скорости, сохраняя общую скорость передачи данных, как и у обычных схем модуляции одной несущей в той же полосе пропускания. На практике сигналы OFDM получаются путем использования Быстрого преобразования Фурье.
Это, что касается движения сигнала «сверху вниз», то есть от базовой станции к телефону. На пути «снизу вверх» разработчики были вынуждены отказаться от OFDM в пользу SC-FDMA — мультиплексирование на одной несущей (Single-carrier FDMA). Дело в том, что при сложении множества ортогональных поднесущих формируется сигнал с большим пик-фактором (пик-фактор — это отношение амплитуды сигнала к собственному среднеквадратичному значению). А для передачи подобного сигнала без искажений требуется высококачественный, а следовательно дорогой передатчик с высокой линейностью.
Кстати, эта техническая деталь затрудняет лицензирование на территории России радиочастот под нужды LTE. Парадоксально но факт: Минкомсвязи России объявил перспективным направлением развития сетей мобильной связи именно LTE. С другой стороны при организации тендера на радиочастоты 2,3—2,4 ГГц в 40 регионах РФ в качестве одного из условий конкурса в качестве метода радиодоступа указана только технология OFDMA (а значит автоматически исключает LTE, которому помимо OFDMA нужно еще и SC-FDMA). Очевидно, российские чиновники в очередной раз демонстрируют чудеса некомпетентности в тех областях, которыми управляют.
MIMO (Multiple Input Multiple Output) — технология передачи данных с помощью N ан-тенн и их приёма М антеннами. Передающие и приёмные антенны разнесены настолько, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.
Место LTE в радиоэфире
Как уже сложилось в нашей статье, начнем с радиочастотной составляющей стандар-та, а потом перейдем к структуре. На сегодняшний день под нужды LTE уже резервируются диапазоны частот. Наиболее перспективными считаются частоты в районе 2,3 Ггц (здесь «локомотивом» выступает Китай, в частности China Mobile, который уже выделил необходи-мые частоты и развертывает тестовое вещание, с учетом колоссального объема томошнего рынка, начинание практически обречено на успех и доминирование в регионе). Следующая перспективная частота — 2,5 ГГц, выделяемая в Индии, США, Японии и Европе. В принципе есть еще полоса в районе 2,1 ГГц, но там уже довольно тесно: ввиду доступности только 15 МГц в диапазоне 2,1 ГГц лицензии на этот диапазон ограничивают полосы до 5 МГц для большинства операторов в Европе. В перспективе наиболее востребованным очевидно будет диапазон частот около 3,5 ГГц. Дело в том, что на этих частота во многих странах мира уже развернуты широкополосные сети беспроводного доступа и путем миграции в LTE компании смогут «повторно использовать» свои частоты без покупки новых дорогостоящих ли-цензий. В перспективе под нужды LTE могут выделяться и другие диапазоны.
В смысле используемых полос частот и систем разделения в LTE все сложно и неоднозначно, поскольку стандарт крайне гибок. В различных реализациях сети LTE могут ис-пользовать полосы частот шириной от 1,4 до 20 МГц (в отличие от фиксированных 5 МГц UMTS). Также возможно использование как временного разделения сигналов TDD (Time division duplex — дуплексный канал с временным разделением), так и частотного — FDD (frequency-division duplex — дуплексный канал с частотным разделением). Кстати, версия LTE, разворачиваемая в Китае — TD-LTE.
Радиус действия базовой станции LTE может быть различным. В оптимальном случае - это порядка 5 км, но при необходимости он может составлять до 30 км или даже 100 км (при достаточном поднятии антенны).
Еще одна «изюминка» LTE — широкий выбор терминалов. Кроме мобильных телефонов, в сетях LTE будет работать много компьютеров и устройств потребительской электроники, таких, как ноутбуки, нетбуки, игровые устройства и камеры, оснащенные встроенным модулем работы с LTE-сетью. Поскольку LTE обеспечивает поддержку хендоверов и роуминга с существующими мобильными сетями, все эти устройства с первого же дня запуска смогут пользоваться преимуществами уже существующего покрытия сетей 2G/3G.
Структура сети LTE
Схема сети LTE:
Первое, что бросается в глаза при взгляде на схему сети LTE — наличие знакомых аббревиатур, достаточно сравнить схему LTE со схемой UMTS выше. Действительно, сети LTE включают в себя элементы сетей поколений 2,75G (GPRS) и 3G (UMTS). Благодаря этому свойству развертывание сетей нового поколения не будет носить столь катастрофичный характер, и будет больше похожа на эволюцию, нежели революцию.
В частности благодаря этому звонок или сеанс передачи данных, инициированный в зоне покрытия LTE, технически может быть передан без разрыва в сеть 3G (WCDMA), CDMA2000 или в GSM/GPRS/EDGE. Также легко сети LTE интегрируются с сетями Wi-Fi (на схеме обозначено как WLAN Access NW) и сетью Интернет.
Рассмотрим более подробно подсистему радиодоступа (ведь именно ради нее весь сыр-бор, не так ли?). Фактически сеть радиодоступа RAN (Radio Access Network) построена аналогично сети UTRAN UMTS (не зря ее назвали eUTRAN), с небольшим дополнение: приемопередатчики базовых станций связаны по специальному протоколу X2, объединяю-щему их в сотовую сеть (mesh network), которая позволяет базовым станциям общаться друг с другом напрямую, не гоняя данные туда-сюда через контроллер RNC (radio network controller).
Причем взаимодействие базовых станций с системой управления мобильными устройствами MME (mobility management entity) и сервисными шлюзами S-GW (serving gateway) идет по принципу многие со многими, что обеспечивает высокую скорость связи и низкие задержки.
LTE vs WiMAX
У проницательного читателя может возникнуть вопрос: почему именно LTE? Ведь еще совсем недавно на роль основы для сетей 4G прочили WiMAX. Более того, развертывание сетей WiMAX уже началось (в частности по России свои услуги в этой сфере предлагают примерно 30 провайдеров, в том числе такие «монстры»» как Комстар). Почему такой резкий поворот?
В самом деле эти два стандарта предельно близки: оба используют систему кодирования OFDM и систему передачи данных MIMO. В обоих используется и FDD и TDD дуплексирование при ширине канала до 20 МГц. Каждый из претендентов в качестве транспортного протокола использует IP. Как следствие оба стандарта фактически одинаково эффективно используют доступный диапазон частот и обеспечивают практически одинаковую скорость передачи данных. Существуют, конечно, нюансы. А дьявол, как известно таится в деталях.
С одной стороны, инфраструктура WiMAX существенно более простая, а соответственно дешевая и, потенциально, более надежная. Секрет простоты WiMAX в его «заточенности»» под передачу данных. С другой стороны «навороты» LTE призваны обеспечить совместимость сетей 4G со старыми стандартами связи вплоть до GSM. Потребуется ли эта обратная совместимость, вопрос сам по себе не простой. Так что разработчики излишне мудрят?
Есть несколько тонких различий между LTE и WiMAX. Одно из них — диспетчеризация радиочестотных ресурсов. В WiMAX диспетчеризация ресурсов в частотной области осуществляется по принципу «frequency diversity scheduling», поднесущие, выделяемые пользователю, распределены по всему спектру канала. Делается это для рандомизации и усреднения влияния частотно-селективных замираний на широкополосный канал.
В LTE реализована другая техника борьбы с частотно-селективными замираниями: частотно-селективная диспетчеризация ресурсов «frequency selective scheduling». Для каждой абонентской станции и каждого частотного блока несущей формируются индикаторы качества канала CQI (Channel Quality Indicator).
Еще одна вещь, важная при организации сетей массового обслуживания — коэффициент переиспользования частот. «Фишка» в том, насколько эффективно использует доступную полосу частот каждая базовая станция.
Базовая схема переиспользования частот WiMAX строится на трех частотных каналах. При трехсекторной конфигурации сайтов в каждом из секторов используется один из трех частотных каналов. Коэффициент переиспользования частот в данном случае равен 3 (то есть в каждой точке пространства доступна только треть радиочастотного диапазона).
Работа сети LTE осуществляется с коэффициентом переиспользования частот 1, т.е. все базовые станции работают на одной несущей. Внутрисистемные помехи в данной сис-теме минимизируются благодаря частотно-селективной диспетчеризации, координации по-мех между сотами, гибкому частотному плану. Для пользователей в центре любой соты мо-гут выделяться ресурсы из всей полосы канала. Пользователям на краях сот выделяются ресурсы только из определенных поддиапазонов.
Все эти особенности в радиоинтерфейсе WiMAX и LTE влияют на одну из важнейших интегральных характеристик — оценку радиопокрытия. Именно этот параметр определяет необходимый минимум базовых станций для покрытия заданной местности. Он определяет стоимость развертывания сети.
Расчеты показывают, что LTE обеспечивает лучшее радиопокрытие при одинаковом количестве базовых станций, а это уже весьма ощутимый аргумент для компаний-поставщиков услуг мобильной связи.
