8.4 Сети wwan

Сети беспроводной передачи данных класса WWAN вполне можно построить с использованием наземных технологий. За счёт сотовой структуры сети и сотовые (территориальные) системы, и WiMAX-системы, а также любые другие реально существующие или проектируемые сети передачи данных могут покрывать весьма значительные территории (в случае с сотовыми (территориальными) системами часто совпадающие с границами государств, в которых они развёрнуты). Но в данном случае речь всё же будет идти о региональных сетях. Для того, чтобы построить по-настоящему глобальную беспроводную сеть передачи данных, нам придётся оторваться от земли и прибегнуть к услугам спутниковых систем связи. Рассмотрим эти два пути подробнее на примере передачи данных посредством сотовых (территориальных) систем и спутниковых систем.

Передача данных посредством сотовых (территориальных) систем. Сотовые (территориальные) системы можно рассматривать как классический пример региональных сетей связи WWAN-класса. Им был посвящён четвёртый, самый обширный раздел данной работы. Поэтому сейчас мы не будем останавливаться на технических подробностях реализации сотовых систем связи, а посмотрим на них с точки зрения использования этих сетей в качестве транспортной среды для передачи данных.

Аналоговые сотовые системы поколения 1G функцию передачи данных реализовать не могли. Эта функция впервые была реализована в сетях поколения 2G и выше. По аналогии с коммутируемыми проводными телефонными сетями общего пользования (ТФОП) системы сотовой связи изначально были спроектированы для передачи речи. Один из простых методов передачи данных по таким сетям заключается в инкапсуляции пакетов данных (IP-пакетов) и отправке их по голосовому каналу. Технология CSD (Circuit Switched Data или режим коммутации каналов) была построена именно по этому принципу. На всё время передачи данных задействовался отдельный GSM-канал (временной интервал или таймслот в TDMA-кадре), при этом не требовалось никакого дополнительного

228

оборудования в передающей части базовых станций и специальных модулей в составе терминалов, всё решалось программным путём. Максимальная скорость передачи составляла от 2,4 до 9,6 кбит/с (максимальная теоретически возможная скорость составляет 21,4 кбит/с). Метод был реализован в том числе и в Украине, но не пользовался популярностью по причине малой скорости и очень высокой стоимости (тарифицировалось время сеанса связи без учёта трафика). Технология CSD характерна для сетей поколения 2G. Дальнейшим развитием метода CSD стал метод HSCSD (High Speed Circuit Switched Data, высокоскоростная передача данных с коммутацией каналов), который позволил увеличить скорость передачи данных с 9,6 кбит/с до теоретических 57,6 кбит/с путём одновременного использования до четырёх голосовых каналов (каждый канал при передаче по методу HSCSD имеет пропускную способность до 14,4 кбит/с). В последних версиях HSCSD были применены более эффективные методы модуляции (8PSK в дополнение к GMSK), что позволило уменьшить число занимаемых каналов. Эта система получила название ECSD (Enhanced Circuit-Switched Data, Усовершенствованная система передачи данных по коммутируемым каналам). В дальнейшем 8PSK-модуляция найдёт применение при разработке системы EDGE. Метод во всех вариантах реализации отличался очень нерациональным использованием сетевых ресурсов, дороговизной для пользователя (абоненту пришлось бы оплачивать несколько занятых одновременно каналов) и в сетях украинских операторов никогда не использовался. Для реализации HSCSD по-прежнему требовалась только модернизация ПО. HSCSD – технология фазы (поколения) 2+. Эти две системы стали примером нежелания разработчиков затрагивать аппаратную структуру сетей поколения 2G [93].

Помимо систем, использующих метод коммутации каналов (circuit switching), существует и ряд систем, которые основаны на методе коммутации пакетов (packet switching). Одной из первых систем, построенной по принципу коммутации пакетов, была CDPD (Cellular Digital Packet Data, сотовая цифровая пакетная передача данных). Толчком к развитию технологии CDPD послужила идея использования незадействованных речевых каналов в системе сотовой связи D-AMPS. Данная система подразумевает наличие аппаратной надстройки над инфраструктурой базовых станций и наличие специального модуля в абонентской станции. Кроме того, она тесно встраивается в проводные сети передачи данных, с которыми очень плотно взаимодействует (если возможно, часть трафика проходит по проводным сегментам). Для передачи данных используется один канал из числа свободных в текущий промежуток времени, скорость передачи составляет 19,2 кбит/с. Вся передаваемая информация разбивается на пакеты на передающем конце и после передачи вновь собирается на приёмном конце. Если все каналы занимает голосовой трафик, передача данных прекращается, а после освобождения канала –

229

возобновляется. При этом между сетью и мобильной станцией постоянно сохраняется логическая связь [93].

С точки зрения оплаты системы с коммутацией пакетов более выгодны конечному пользователю, так как тарифицируется фактический трафик без учёта времени соединения. Интересны они и оператору мобильной связи – дополнительную прибыль можно извлекать из свободных от голосовой передачи каналов. Последнее соображение перевешивает даже необходимость аппаратной надстройки над инфраструктурой сети и применения специальных терминалов.

В сетях украинских сотовых операторов система CDPD развёрнута не была. В сетях стандарта GSM широкое распространение получила более совершенная и скоростная система с коммутацией пакетов GPRS (General Packet Radio Service). Главное отличие GPRS от CDPD состоит в возможности одновременного использования нескольких свободных голосовых каналов (или логических каналов, временных каналов, тайм-слотов, что то же самое). Максимальное теоретически возможное значение скорости передачи данных по технологии GPRS составляет 171,2 кбит/с, реальная скорость составляет около 56 кбит/с, то есть сравнима со скоростью работы модема по проводной линии через коммутируемое соединение. Технологию GPRS относят к поколению 2,5G.

Следующей ступенью эволюции (то есть постепенного изменения действующих сетей стандарта GSM) стало появление технологии EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution, повышенная скорость передачи данных для глобальной эволюции) или EGPRS (Enhanced GPRS, усовершенствованный GPRS). Главное отличие EDGE от GPRS состоит в том, что помимо GMSK-модуляции протокол предполагает использование 8PSK-кодирования, которое обеспечивает передачу в одном символе трёх битов информации вместо одного. В результате теоретически достижимая максимальная скорость передачи при использовании технологии EDGE составляет 384 кбит/с, хотя на практике она редко превышает 150 кбит/с (всё же, это втрое больше, чем при использовании GPRS). Наличие в GSM-сети технологии EDGE позволяет отнести её к поколению 2,75G, вплотную приблизившись к сетям поколения 3G.

Сотовые (территориальные) системы следующего поколения (3G) позволили передавать данные со значительно большими скоростями – до 2 Мбит/с. К ним относятся стандарты UMTS (WCDMA 2100), CDMA 2000 1хEV-DO и ряд других. Все технологии поколения 3G построены на методе CDMA и дальнейшая их эволюция (надстройка HSPA – High Speed Packet Access, состоящая из двух частей HSDPA и HSUPA) до поколения 3,5G (HSDPA) обеспечит средние скорости передачи данных более 3 Мбит/с, а до поколения 3,75G (HSUPA) – более 5Мбит/с. Сотовые системы связи поколения 4G и выше скорее всего будут представлять собой уже продукты конвергенции (слияния) всех сервисов на основе технологии передачи

230

данных наподобие Mobile WiMAX. По сути, это будут сети передачи данных, приспособленные в том числе и для голосовой телефонии (а не наоборот, как было до систем поколения 4G).

Одной из таких технологий поколения 4G, о которой так часто пишут и говорят в последнее время, стал стандарт 3GPP LTE. LTE является логическим продолжением UMTS, вместе с тем данная технология полностью совместима со всеми уже развёрнутыми ранее стандартами мобильной сотовой связи поколений от 2G до 3G с обеспечением плавного перехода абонентской станции (функция хендовер) между сетями различных поколений. При этом впервые сотовая (территориальная) сеть изначально строится на основе технологии коммутации пакетов (даже системы поколения 3G строились на основе технологии коммутации каналов). Реализация LTE возможна в различных частотных диапазонах от 1,4 до 20 GHz, причём как с частотным (FDD), так и с временным (TDD) разделением каналов. Что касается скоростей передачи данных – здесь стандарт LTE даст фору даже WiMAX: теоретически возможная максимальная скорость в нисходящем канале (download) составляет до 300 Мбит/с, а в восходящем канале (upload) – до 75 Мбит/с (другие источники могут приводить иные данные по скоростям передачи). Учитывая то обстоятельство, что стандарт является открытым и может обеспечить оператору плавный переход существующей сети на сеть поколения 4G с последующей полной интеграцией, становится понятен тот энтузиазм и поддержка провайдеров мобильной связи и производителей оборудования, которые сопутствуют технологии с самого начала её появления. С другой стороны, стандарт LTE изначально разрабатывался как стандарт сотовых (территориальных) систем связи поколения 4G и передача данных – просто одна из его возможностей. В то же время стандарт WiMAX изначально позиционировался в качестве стандарта беспроводных сетей передачи данных, а телефония могла быть одной из его возможностей использования. Из этого следует, что у стандарта LTE больше шансов стать доминирующим: на рынке услуг связи наиболее востребованной с момента своего появления и до настоящего времени была голосовая связь, а LTE-сеть позволяет с одинаковой эффективностью предоставлять услуги как мобильной телефонии, так и беспроводной передачи данных.

Технологии CSD, GPRS, EDGE, UMTS (WCDMA 2100), CDMA 2000 1хEV-DO и LTE более подробно описаны в разделе 4 Сотовые (территориальные) системы, а технология WiMAX описана ранее в текущем разделе данной работы.

Передача данных посредством спутниковых систем. Спутниковые системы часто рассматриваются как высшая ступень эволюции систем связи. Это же утверждение справедливо и для спутниковых систем передачи данных. Действительно, по площади покрытой территории с ними не может сравниться ни один вид наземных коммуникаций. Вместе с тем, у данной

231

разновидности систем передачи данных есть целый ряд особенностей, если не сказать – недостатков (самый главный из них – высокую стоимость – мы сейчас обсуждать не будем, поговорим о технических аспектах).

Спутниковые системы передачи данных классифицируют по множеству признаков. По признаку ширины канала (величине пропускной способности) различают системы операторского (провайдерского) и пользовательского классов. С точки зрения степени мобильности системы могут быть со стационарным или мобильным доступом. При этом стационарный доступ может быть однонаправленным (фактически это трансляция определённых данных со спутника без обеспечения функции обратной связи, по сути она очень близка к трансляции телевизионного сигнала), асимметричным (запросный или восходящий канал организован через наземные коммуникации, а получение информации происходит со спутника) и двунаправленным (этот сценарий предполагает направление запроса и получение информации по спутниковым каналам). Мобильный доступ по определению должен быть двунаправленным, так как для мобильной станции никакие другие каналы фактически недоступны. Кроме того, сам двунаправленный канал может быть симметричным или несимметричным (последний стоит дешевле). Дело в том, что при организации доступа в Internet по восходящему каналу (от абонентского терминала к спутнику) идут в основном запросы, а по нисходящему (в обратном направлении) проходит во много раз больший объём данных. Поэтому можно организовать восходящий канал, пропускная способность которого будет в несколько раз меньше нисходящего.

С самого начала развития общедоступных гражданских систем спутниковой связи в них была заложена возможность передачи данных. И Inmarsat, и Thuraya, и Globalstar даже в самых ранних конфигурациях могли передавать данные, правда – с очень низкими скоростями (порядка 2,4 кбит/с). На практике такую возможность использовали в основном для доступа к электронной почте, передачи факсимильных сообщений, телексов, различной телеметрической информации и реализации других подобных приложений. В некоторых случаях помимо малой скорости спутниковые системы накладывали очень жесткие рамки на длину передаваемых сообщений (файлов). Так, на начальной стадии реализации Inmarsat обеспечивала скорость передачи данных 2,4 кбит/с, Thuraya–2,4, 4,8 и 9,6 кбит/с, Iridium–2,4 кбит/с. С заменой спутников на орбите менялись и скорости передачи данных. После полного построения спутниковой группировки четвёртого поколения система Inmarsat сможет обеспечить скорости передачи данных до 432 кбит/с и совместимость с системами сотовой связи поколения 3G, а Thuraya (имеющая в своей основе GSM-архитектуру) в перспективе обещает довести эту скорость до уровня сотовых систем поколения 3G. Для подобных систем была также разработана спутниковая подсистема UMTS (S-UMTS), которая рассматривается как

232

компонент наземных сетей 3G. Сценарий действий пользователя при передаче данных через эти системы чаще всего следующий: к спутниковому терминалу подключается аналоговый или цифровой модем (в современные терминалы, он, как правило, встраивается), а к модему – мобильный компьютер или другое устройство.

Помимо систем, для которых главной функцией является голосовая связь, а передача данных – дополнительной функцией, существует и ряд систем, предназначенных для передачи небольших объемов данных вне реального времени („Гонец“, Orbcomm, Starsys, Faisat). Основное их назначение – электронная почта и пейджинг.

Значительно большие скорости передачи данных обеспечивают широкополосные спутниковые системы телевизионного вещания стандарта DVB-S (в основном это однонаправленный или асимметричный канал). Скорость в этом случае может достигать теоретического максимума 45 Мбит/с, хотя в реальных абонентских системах она чаще всего ограничивается величинами от одного до нескольких Мбит/с.

Наиболее интересными с точки зрения передачи данных сегодня являются спутниковые системы, построенные на основе технологии VSAT. Эти системы отличаются небольшой стоимостью абонентского оборудования, широким спектром предоставляемых услуг и высокими скоростями передачи данных. Скорости передачи данных здесь могут достигать величин порядка 2 Мбит/с и выше (иногда – значительно), при этом может быть организован как симметричный, так и несимметричный двунаправленный канал. Небольшие диаметры антенн (от 1,5 до 0,5 м) и небольшие передатчики (от 5 до 20 Вт) позволяют в большинстве случаев размещать абонентские станции полностью на территории абонента. К сожалению, эти станции устанавливаются стационарно и не могут обеспечить мобильного доступа [59, 93, 94, 95, 96].

Спутниковые системы, через которые возможно осуществлять передачу данных, рассмотрены здесь очень кратко. Более подробно спутниковые системы связи описаны в первой части раздела 6 Глобальные спутниковые системы данной работы.

233