4.4 Поколение 3g и перспективы дальнейшего развития сотовых (территориальных) систем

Функция телефонии (то есть функция передачи речи или, как сейчас чаще всего говорят, голосового трафика) уже в сотовых (территориальных) системах первого поколения 1G была реализована на весьма высоком уровне. В сетях второго поколения 2G уровень реализации телефонии таков, что с некоторыми оговорками его можно назвать отличным. Дальнейшее повышение этого уровня бесперспективно, так как он полностью отвечает требованиям абсолютного большинства пользователей. Более того, можно с большой долей вероятности предположить, что попытка улучшения функции передачи речи в силу различных причин просто не будет замечена большинством абонентов. Следовательно, говоря о сотовых сетях поколения

105

выше 2G, обычно подразумевают только увеличение скорости передачи данных и реализацию на ее основе новых сервисов.

Сразу оговоримся: в разных странах уровень развития сотовых систем очень неодинаков. Если в Украине к лету 2007 года все национальные GSM-операторы развернули покрытие EDGE, то есть достигли уровня поколения 2,75G и в нескольких городах была развернута сеть поколения 3G PEOPLEnet в стандарте CDMA 2000 1хEV-DO Revision 0 (Evolution Data Optimized, оптимизированная передача данных с одной несущей, технология EV-DO является надстройкой для стандарта CDMA 2000 1х подобно GPRS/EDGE для GSM-сетей) со скоростью передачи данных до 2,4 Мбит/с (к началу 2009 года сеть PEOPLEnet эволюционировала до Revision А со скоростью передачи данных до 3,1 Мбит/с), то за рубежом все обстоит несколько иначе. В Европе сети GSM поколения 2,5 – 2,75G дополнены в больших городах покрытием UMTS (WСDMA 2100) поколения 3G (передача данных со скоростью до 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов (до 3,6 Мбит/с при использовании технологии HSDPA) и 384 кбит/с – для быстродвижущихся абонентов), благо на рынке присутствует целый ряд двухстандартных GSM/UMTS терминалов (UMTS – Universal Mobile Telecommunications System, универсальная мобильная телекоммуникационная система; WCDMA – Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный стандарт CDMA). UMTS позволяет операторам производить плавный переход от сетей GSM поколения 2,5 – 2,75 G к поколению 3 G с минимальными финансовыми затратами. Так, если затраты на ввод одного абонентского номера GSM составляют около 320 – 350 долларов, то при эволюционном переходе к сетям UMTS дополнительные затраты не превышают 50 долларов на один номер. При этом ёмкость сети по оценкам экспертов используется примерно в 8 раз эффективнее [59]. Европейские UMTS, как правило, используют частоты 2100 МHz в нисходящем и 1900 МHz в восходящем каналах. Американские сети стандарта UMTS в зависимости от оператора могут применять и другие частотные диапазоны, например, 1700 МHz [60]. Могут встречаться также сети UMTS 850, использующие диапазон 850 МHz. Некоторые производители по аналогии с многодиапазонными GSM-терминалами выпускают многодиапазонные UMTS-совместимые терминалы 850/1900/2100 МHz. В то же время в Японии сеть 3G стандарта FOMA развернута с 2002 года и уже к лету 2006 года число ее пользователей превысило 20 миллионов абонентов. Владелец сети – японская компания NТТ DoCoMo – еще в марте 1999 года запустила в своей сети поколения 2G стандарта JDC услугу i-Mode на основе технологии РDC, которая в отличие от европейского WAР использовала не специальный язык WМL, а сокращенную версию стандартного языка разметки Internet-страниц C-HTML (Compact HTML). Технология обеспечивала постоянное соединение с Internet и пакетную передачу данных (как при использовании GPRS), доступ

106

к Internet осуществлялся через специальный портал. Фактически можно было говорить о построении сети промежуточного поколения 2,5G. В итоге к моменту запуска 3G-сети абоненты оказались подготовленными психологически к использованию всех ее возможностей. Услуга i-Mode была реализована в 3G-сети на качественно новом уровне, оставаясь при этом привычной, и сразу нашла своего потребителя. Вот чем объясняется столь успешное продвижение сетей поколения 3G в Японии. Следующими за ней идут Южная Корея, далее Австралия и Гонконг. Японские сети все время наращивают скорости передачи данных, и если в 2006 году они проводили полевые испытания по передаче данных на скоростях до 2,5 Гбит/с (это уже фактически поколение 4G и даже выше), то в первой половине 2007 года самый крупный японский оператор NТТ DoCoMo в рамках полевого тестирования достиг скорости передачи данных в 5 Гбит/с в нисходящем канале при скорости передвижения мобильной станции 10 км/ч. Для передачи был использован частотный диапазон с шириной полосы 100 МHz и собственная технология обработки сигнала (число антенн в конфигурации MIMO возросло с 6 (при 2,5 Гбит/с) до 12). хотя это – всего лишь опытные результаты, они на порядки превосходят все достигнутое в других странах. В США самым популярным стандартом долгое время был CDMA, но в настоящее время рынок мобильной связи стал несколько смещаться в сторону GSM. Основные сети там достигли уровня поколения 2,5 – 2,75G. Возвращаясь в нашу страну, можно в дополнение отметить, что Укртелекому в 2005 году была выдана первая в Украине лицензия на использование стандарта UMTS и 1 ноября 2007 года сеть UMTS была введена в коммерческую эксплуатацию под брендом Utel, а „Украинские новейшие технологии“ (УНТ) с ноября 2005 года начали предоставлять широкополосный доступ к Internеt посредством новейшей технологии WiMAX (пока только фиксированного стандарта 802.16-2004) [47]. Кроме того, компания МТС (бывшая UMС) осенью 2007 года запустила в коммерческую эксплуатацию сеть поколения 3G стандарта CDMA 2000 1хEV-DO Revision А (скорость передачи данных до 3,1 Мбит/с) в принадлежащем ей частотном диапазоне 450 МHz (в котором ранее работала аналоговая сеть компании UMС поколения 1G стандарта NMT-450i). В перспективе сеть должна стать всеукраинской, она позиционируется как сеть для передачи данных и обеспечения доступа к сети Internеt без предоставления услуг телефонии. К началу 2009 года эта сеть гарантированно покрывала все областные центры Украины и ещё целый ряд населённых пунктов.

Всего к лету 2009 года в Украине в нескольких частотных диапазонах действуют три стандарта сотовой мобильной связи различных поколений: GSM 900/1800 („Киевстар“, „МТС-Украина “, life:), Beeline), UMTS 2100 (Utel), CDMA 800 („Велтон Телеком“, „CDMA-Украина“, „Телесистемы Украины“, „Интертелеком“) и CDMA 450 („МТС-Украина“, услуга „МТС-

107

коннект“ – скоростной доступ к сети Internеt без предоставления услуг голосовой телефонии).

Дальнейшее развитие сотовых (территориальных) систем связывают с несколькими новейшими технологиями, шесть из которых считаются самыми перспективными. Рассмотрим их подробнее.

Технология CDMA 2000 1хEV-DO Revision В. (Evolution Data Optimized – оптимизированная передача данных с одной несущей, Revision В – Модификация В). Следующая ступень эволюционного развития сетей поколения 3G стандарта CDMA 2000 1хEV-DO Revision А, которая обеспечивала скорость передачи данных до 3,1 Мбит/с. Максимальная теоретическая скорость передачи данных 14,7 Мбит/с (3 канала по 4,9 Мбит/с). Может использовать для работы диапазоны 450, 700, 800, 900, 1700, 1800, 1900 и 2100 МHz. Весьма перспективна, так как позволяет эволюционным путем совершенствовать реально существующие сети одного из самых новых стандартов. Технология поколения 3,5G [60].

Технология Flash-OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с разделением по ортогональным частотам). Разработана американской компанией Flarion, предполагает одновременную передачу множества сигналов по одному каналу. Сети Flash-OFDM обеспечивают среднюю пропускную способность до 1,5 Мбит/с и до 3,2 Мбит/с в пиковом режиме, частотный диапазон 450 МHz. Технология обеспечивает возможность передачи данных при перемещении мобильной станции со скоростью до 250 км/ч. Считается, что Flash-OFDM – это технология выше 3G, она позволяет поддерживать большие скорости, чем определено для стандартов 3G [47].

Технология HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access – доступ с высокоскоростной передачей пакетированных данных по нисходящим каналам) была создана для эволюционного повышения производительности 3G сетей UMTS (по аналогии с EDGE в GSM-сетях). Впервые описана в пятой версии стандартов 3GPP. В основе ее лежит теория, согласно которой при сопоставимых размерах сот использование многокодовой передачи позволяет достигать пиковых скоростей порядка 10 Мбит/с (практически средняя скорость будет достигать 3,6 – 7,2 Мбит/с, а теоретический максимум составляет 14,4 Мбит/с). Планируется, что к выходу следующей версии стандартов 3GPP технологией будут достигнуты пиковые скорости порядка 20 – 30 Мбит/с с помощью технологии MIMO (Multiple Input Multiple Output) и иных способов применения антенных решеток. На технологию HSDPA часто ссылаются уже как на стандарт 3,5G [47]. Другой технологической надстройкой над сетями поколения 3G стандарта UMTS является родственная технология HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access – доступ с высокоскоростной передачей пакетированных данных по восходящим каналам). Средняя скорость передачи по данной технологии на практике будет достигать 5,76 Мбит/с, HSUPA может быть отнесена к

108

поколению 3,75G. Технология HSUPA рассчитана на развертывание приложений, которые требуют обработки идущих от абонентов высокоскоростных потоков данных.

Обе технологии – HSDPA и HSUPA – относятся к семейству технологий HSPA, которое, в свою очередь, является одним из этапов дальнейшей эволюции стандарта WCDMA (UMTS).

Стандарт WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access – протокол беспроводной широкополосной радиосвязи). Разработан консорциумом WiMAX Forum, в его основе лежат стандарты IEEE 802.16. В настоящее время состоит из двух частей – мобильной и стационарной. Стандарт IEEE 802.16 – 2004 принят в июне 2004 года и используется только для фиксированной беспроводной связи. Стандарт IEEE 802.16е – 2005, утвержденный в декабре 2005 года, является мобильным и предусматривает применение более совершенных схем модуляции (технология SOFDMA) [47]. Коммерческое название этого стандарта Mobile WiMAX.

Максимальная дальность действия WiMAX составляет 50 км, рабочие частоты могут быть различными в диапазоне 2 – 11 GHz (2,4 – 2,5 GHz, 3,5 – 3,6 GHz, 5,1 – 5,3 GHz (и другие, в основном лежащие в нелицензируемых диапазонах). Максимальная теоретическая скорость передачи данных – до 70 Мбит/с (реальные сети пока работают на скорости около 2 Мбит/с) на канал базовой станции, количество каналов типовой БС – 6. Ширина канала позволяет предоставлять абоненту весь комплекс телекоммуникационных услуг (Internеt, цифровое интерактивное телевидение – IPTV, видео по запросу VoD, IP-телефонию, объединение территориально-разделенных локальных компьютерных сетей, видеоконференцсвязь и многие другие) [48]. Технология поколения 3,5G и выше. При скоростях передачи данных до 10 Мбит/с и выше стандарт можно отнести к поколению 4G.

Стандарт WiBro (Wireless Broadband) создан Корейским институтом электронных и телекоммуникационных разработок и фактически является одной из разновидностей технологии WiMAX. Базовая станция сети WiBro обеспечивает зону покрытия радиусом 1 – 5 км и скорость передачи данных 30 – 50 Мбит/с. Доступ к сервисам WiBro можно будет получать при движении со скоростью до 120 км/ч [47]. Технология поколения 3,5G и выше. При скоростях передачи данных до 10 Мбит/с и выше стандарт можно отнести к поколению 4G.

Стандарт LTE (Long Term Evolution – долгосрочное развитие, иногда встречается вариант 3GPP LTE). В декабре 2004 года рабочая группа 3GPP учредила программу LTE – Long Term Evolution, долгосрочное развитие. Изначально программа задумывалась как мера по обеспечению преимуществ систем сотовой связи перед другими беспроводными системами в следующем десятилетии. Кроме того, в ней ставились задачи упрощения архитектуры сотовой (территориальной) сети, увеличения её производительности, уменьшения эксплуатационных затрат, улучшения

109

использования частотного диапазона и качества предоставляемых услуг. Будущий стандарт должен был стать полностью открытым и обеспечивать полную интеграцию с существующими сотовыми сетями.

Результатом работы группы 3GPP по реализации программы LTE стало появление и утверждение одноименного стандарта LTE (в некоторых источниках 3GPP LTE). В основе создания стандарта LTE лежит идея изначального построения сотовой (территориальной) сети связи на технологии коммутации пакетов e2e IP. До этого сотовые системы всех поколений, в том числе и поколения 3G, строились на основе технологии коммутации каналов, которую потом приходилось приспосабливать для целей пакетной передачи данных.

Теоретически возможная максимальная скорость передачи данных по стандарту LTE достигает 326,4 Мбит/с в нисходящем канале (download) и 172,8 Мбит/с в восходящем канале (upload). В других источниках могут фигурировать несколько иные величины, в частности, до 300 Мбит/с и до 75 Мбит/с соответственно. В ранних реализациях пиковые скорости должны составлять соответственно более 100 Мбит/с и более 50 Мбит/с. Радиус действия передатчика базовой станции может колебаться от 5 км (оптимальный) до 30 и даже 100 км, он напрямую зависит от высоты подъёма антенны. Реализация LTE-систем возможна в различных частотных диапазонах от 1,4 GHz (и даже ниже) до 20 GHz с различными технологиями разделения каналов – частотным FDD и временным TDD. Для реализации скоростей передачи до 326,4 Мбит/с планируется использовать технологию MIMO в конфигурации антенн 4×4. В конфигурации 2×2 предельные скорости в нисходящем канале могут достигать 172,8 Мбит/с в каждой частотной полосе 20 MHz, а в восходящем канале – 86 Мбит/с на каждую полосу в 20 MHz. В отличие от WCDMA, требующей полосы частот 5 MHz, LTE способна работать с различными полосами частот от 1,5 до 20 MHz. На уровне методов доступа внедрение стандарта LTE означает переход от систем CDMA (Code Division Multiple Access, многостанционный доступ с кодовым разделением каналов) или WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access, широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением каналов) к системам OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, мультиплексирование (многостанционный доступ) посредством ортогональных несущих). В стандарте может опционально применяться модуляция до 64 QAM (64-уровневая квадратурная модуляция). Стандарт Rel.8 предусматривает возможность одновременной работы до 200 активных пользователей в пределах каждой соты, использующей полосу в 5 MHz. Сеть также поддерживает MBSFN (Multicast Broadcast Single Frequency Network, групповое вещание на единой частоте в сети), что позволяет внедрить в ней такую услугу как мобильное TV в противовес DVB-H.

Главным аргументом в пользу внедрения стандарта LTE сегодня является возможность обеспечения его полной обратной совместимости и

110

параллельной работы в рамках единой сети с уже существующими сетями поколений 2G, 2,5G, 2,75G и 3G разных стандартов. При этом гарантируется осуществление плавного перехода абонентской станции между этими сетями с обеспечением функции хендовера (handover), то есть плавного перехода без разрыва сеанса связи или передачи данных. Последнее достигается применением в составе базовой станции приёмопередатчика, построенного на идеях Software Radio (так называемое софтверное радио, то есть приёмопередатчик с программно-перестраиваемыми рабочими частотными диапазонами), который может одновременно работать как с LTE-терминалами, так и с терминалами предыдущих поколений. Существующая GSM, CDMA или WCDMA-сеть может постепенно дополняться подобными базовыми станциями в местах, где высокоскоростная передача данных наиболее востребована (путём замены старых базовых станций), а в малонаселённых местах могут оставаться в строю базовые станции предыдущего стандарта. Единственным недостатком данной системы с точки зрения абонента является тот факт, что для использования всех возможностей сети ему придется приобрести весьма недешёвый комбинированный мобильный терминал стандарта UMTS (WCDMA)/LTE, GSM/LTE, CDMA/LTE или, скажем, многомодовый терминал стандарта GSM/UMTS/LTE. При этом в такой сети на всей территории покрытия будут корректно работать терминалы предыдущего стандарта, и некоторые владельцы таких телефонов могут даже не догадываться, что их сеть совершила очередной технологический скачок.

По состоянию на конец 2009 года стандарт LTE поддерживается всеми ведущими игроками рынка мобильных технологий в качестве основы беспроводных универсальных широкополосных сетей будущего (в отличие от него WiMAX поддерживает и продвигает на рынке в основном компания Intel). Согласно прогнозам, именно LTE станет доминирующим протоколом связи поколения 4G начиная примерно с 2012 года. По данным UMTS Форума предполагается, что к 2015 году общий доход операторов сетей связи стандарта LTE составит 150 миллиардов долларов или 15% доходов мирового рынка услуг связи, а число их абонентов по всему миру превысит 400 миллионов человек. Ожидается, что развёртывание коммерческих сетей LTE начнётся не позже 2010 года, а широкое предоставление услуг на их основе – с 2011 года.

Вместе с тем, к концу 2009 года технология LTE пока окончательно не устоялась, на данный период в мире нет ни одной функционирующей коммерческой сети (в отличие от того же Mobile WiMAX), да и выход первых коммерческих терминалов запланирован на 2010 год. На рынке постоянно появляются новые технологии, так что приоритеты у провайдеров сотовой связи вполне могут измениться.

Первую в мире крупную сеть стандарта LTE строит в Стокгольме альянс Telia Sonera и Ericsson (максимальная планируемая скорость в

111

нисходящем канале 382 Мбит/с, в восходящем – 86 Мбит/с, хотя данные могут быть неточными: заявленная скорость в нисходящем канале превышает теоретически возможную, а скорость в восходящем канале при такой конфигурации антенн выглядит явно заниженной).

В Украине все мобильные операторы уже сейчас, в 2009 году проявляют активный интерес к стандарту LTE. Теоретически возможен даже сценарий прямого перехода сетей основных украинских GSM-операторов с поколения 2,75G (GSM/GPRS/EDGE) к поколению 4G (LTE) минуя поколение 3G (UMTS). Стоимости разворачивания сетей 3G стандарта UMTS и 4G стандарта LTE сопоставимы, но под LTE пока недостаточен выбор оборудования базовых станций и на рынке практически нет абонентских терминалов. Более реалистично выглядят прогнозы, согласно которым сети стандарта LTE будут доступны в Украине не ранее 2013 – 2014 годов. Есть также сведения, что мобильные операторы Украины могут получить для развития стандарта LTE частоты в диапазоне 700 – 850 MHz. Хотя данный диапазон и выходит за рамки определённого стандартом LTE, с некоторыми оговорками он тоже может использоваться для разворачивания сети этого стандарта.

Таковы ближайшие перспективы развития сотовых (территориальных) систем мобильной связи и только время покажет, каким стандартам в дальнейшем будет отдано предпочтение.

стандарты WiMAX и WiBro чаще всего рассматриваются в специальной литературе в качестве перспективных стандартов не для сотовых (территориальных) систем связи, а для беспроводных систем передачи данных. В этом, собственно, нет никакого противоречия. Так проявляется одна из основных общемировых тенденций – конвергенция или слияние различных информационных технологий на основе новейших технологий передачи данных, свидетелями влияния которой на традиционные виды связи все мы и являемся сегодня. В конечном итоге триумфом конвергенции должно стать появление единой универсальной технологии, способной предоставить абоненту все необходимые ему сервисы. Дальнейшее развитие такой технологии будет проходить в основном по пути наращивания пропускной способности канала связи, а вот процесс совершенствования этого параметра, видимо, не прекратится никогда…