Основной недостаток систем мобильной связи второго поколения — низкая скорость передачи данных — 9,6-14,4 кбит/с. В рамках же ШТ-2000 стояла задача достичь в сетях 3G скорости потока до 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и до 384 кбит/с — для мобильных. В мире сформировались два глобальных партнерских объединения, формирующих стандарты 3G, — 3GPP и 3GPP2 (3G Partnership Project). В первое вошли ETSI (Европа), подкомитет Р1 телекоммуникационного комитета ANSI (США), ARIB и ТТС (Япония), SWTS (Китай) и ТТА (Южная Корея). Участники 3GPP сумели согласовать особенности своих подходов к технологии широкополосной CDMA (WCDMA) с частотным (FDD) и временным (TDD) дуплексированием, представив ITU проекты IMT-DS и IMT-TC соответственно. В основу легло европейское предложение UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access, радиоинтерфейс наземного доступа к системе UMTS) - UTRA FDD и UTRA TDD. Отметим, что в качестве одного из стандартов IMT-2000 предложено дальнейшее развитие технологии микросотовых сетей DECT (проект IMT-FT).

Члены объединения 3GPP2 предлагают фактически эволюционный путь — варианты развития технологий DAMPS (UWC-136) и cdmaOne (cdma2000). Данные предложения представлены ITU как проекты IMT-SC и IMT-MC.

Таким образом, наметилось два пути: революционный — там, где есть свободный частотный ресурс, и эволюционный — в остальных регионах. Рассмотрим их.

В 1996 г. в городе Чиста (Швеция) компания Ericsson запустила первую опытную сеть с технологией WCDMA. Эта технология легла в основу проекта наземного мобильного сегмента европейской универсальной системы телекоммуникаций UMTS. Было предложено два варианта WCDMA — с частотным и временным разносом прямого и обратного каналов (FDD WCDMA и TDD WCDMA) соответственно для парного (предполагается 2110-2170и 1920-1980МГц) и непарного спектров частот.

Технология основывается на расширении спектра методом прямой последовательности в полосе 5 МГц на канал. Изначально определенная скорость потока чипов 4,096 Мчип/с для согласования с другими стандартами была снижена до 3,84 Мчип/с. Таким образом, система может поддерживать требуемые 2 Мбит/с для малоподвижных абонентов и 384 кбит/с — для мобильных. Предусмотрена возможность применения интеллектуальных антенных систем (Smart-антенн с цифровым формированием диаграммы направленности). Принципы технологии FDD WCDMA во многом аналогичны cdmaOne (конечно, WCDMA гораздо сложнее). Одно из принципиальных отличий — сеть на базе FDD WCDMA может быть асинхронной (возможен и синхронный режим).

Для случаев, когда спектральный диапазон ограничен — нет возможности выделять частоты под парные каналы 5 МГц, — проработана версия WCDMA TDD с временным дуплексированием каналов. Принцип прост: весь временной диапазон представляет последовательность равных канальных интервалов. В течение каждого из них в каждом из логических каналов (с кодовым разделением) происходит передача в одном направлении — от БС или от МТ. Таким образом, в определенные промежутки все каналы либо восходящие, либо нисходящие. Соотношение и последовательность восходящих/нисходящих канальных интервалов может гибко изменяться в зависимости от интенсивности трафика в обе стороны. Это крайне важно для многих приложений с асимметричной передачей данных (например, доступ в Интернет). По сравнению с FDD WCDMA сети с TDD должны быть синхронными, в остальном же их параметры практически совпадают.

Развитием метода WCDMA TDD стала система TD-SCDMA, созданная совместно компанией Siemens и ки тайской Академией телекоммуникационных технологий (China Academy of Telecommunications Technology — CATT). Это стандарт физического уровня беспроводных сетей 3G, одобренный ITU и объединением стандартизирующих организаций 3GPP как часть пула стандартов UMTS. TD-SCDMA (технология CDMA с одной несущей и временным дуплексированием) ориентирована для работы в зонах с высоким дефицитом частотного ресурса именно такова ситуация в КНР, связанная с высочайшей плотностью населения (в несколько раз выше, чем в густонаселенной Европе).

Сама технология доступа представляет собой комбинацию трех механизмов: временного разделения дуплексных каналов (TDD), временного мультиплексирования каналов (TDMA) и кодового мультиплексирования каналов (CDMA). Обмен происходит циклически повторяющимися кадрами (фреймами) длительностью 5 мс, разделенными на семь временных интервалов (тайм-слотов). Кроме того, в каждом тайм-слоте возможно формирование до 16 CDMA-каналов на основе 16 кодовых последовательностей. Важнейшая особенность предусмотрена возможность гибкого распределения тайм-слотов исходя из фактически передаваемого трафика. Например, в асимметричных приложениях (доступ в Интернет) для восходящего канат ла можно выделить один тайм-слот, для нисходящего — остальные шесть.

Ширина одной полосы TD-SCDMA 1,6 МГц. Скорость передачи модуляционных символов 1,28 Мчип/с. Это, вместе с переменным числом тайм-слотов во фрейме, назначенных одному соединению, позволяет добиваться скорости передачи данных в широчайшем диапазоне: от 1,2 кбит/с до 2 Мбит/с. Заявленная дальность передачи — 40 км, допустимая максимальная скорость движения мобильного абонента — не менее 120 км/ч

Важнейшее достоинство TD-SCDMA эффективное использование спектра. В технологиях с частотным разносом восходящего/нисходящего каналов на одно соединение всегда выделяются две частотные полосы. И проблема не только в том, что эти две полосы с разносом в 45-220 МГц еще надо найти. При асимметричной передаче (а именно таковы многие мультимедийные приложения) частотный ресурс одного из каналов в большой степени фактически пропадает, поскольку для соединения назначается два частотно-разнесенных канала: приемный и передающий. В случае TD-SCDMA такого не происходит, поскольку частотная полоса одна и соотношение входящего/нисходящего трафика можно гибко варьировать.

Не менее важно, что разработчики TD-SCDMA предусмотрели ее гибкую интеграцию с GSM-сетями, а также мягкий переход к WCDMA-сетям благодаря поддержке сигнализации и протоколов верхних уровней как GSM, так и WCDMA. Более того, первые телефоны стандарта TD-SCDMA были двухмодовыми, на основе GSM-чипсета с дополнительной СБИС поддержки TD-SCDMA.

WCDMA (UMTS) изначально разрабатывалась как замена сетей GSM с возможностью плавного перехода. Поэтому ее сетевая инфраструктура совместима с MAP/GSM. Кроме того, она ориентирована на глобальные сети с пакетной коммутацией (IP, Х.25). Операторы могут создавать «островки» WCDMA в особо густонаселенных районах, постепенно расширяя их. Поэтому все абонентские терминалы для WCDMA в Европе будут поддерживать GSM. Однако первая сеть WCDMA начала действовать в Японии (оператор компания NTT DoCoMo) в 2002 г., где телефонов GSM никогда не было. Для японских операторов WCDMA привлекательна из-за ее высокой абонентской емкости.

Уже действующие сети — это построенная инфраструктура, сформированная и развивающаяся абонентская база и, что самое главное, — огромные вложенные средства и определенная инвестиционная перспективность (если, конечно, сеть успешна). Не менее важно, что за оператором сети закреплен частотный диапазон. Поиск путей усовершенствования происходит постоянно. Однако, прежде чем строить принципиально новую сеть (WCDMA), необходимо рассмотреть возможности развития существующих.

Значительный потенциал заложен в стандарте IS-95. Прямым его развитием стала спецификация IS-95b. Она позволяет объединять до восьми логических каналов. Теоретически достижимая скорость при этом 14,4 х 8 = 115,2 кбит/с. Реально работающие сети IS-95b обеспечивают передачу до 64 кбит/с.

Следующий шаг развития IS-95 — проект cdma2000, который в итоге должен удовлетворять требованиям IMT-2000. Предусматривалось три стадии развития cdma2000: IX, ЗХ и cdma2000 DS (прямая последовательность). Последний вариант технически аналогичен WCDMA, и потому работы над ним были прекращены.

CDMA IX (CDMA 1XRTT) позволяет увеличить число логических каналов до 128 в той же спектральной полосе 1,25 МГц. При этом реальная скорость — до 144 Мбит/с. Первая такая сеть была организована в Южной Корее (оператор — SK Telecom).

Компания Qualcomm предложила технологию увеличения скорости HDR (High Data Rate). Ее основная идея - гибкое увеличение числа положений вектора сигнала (символов) при фазовой модуляции, следовательно, увеличение числа бит на символ. В стандартной модуляции несущей в CDMA (квадратурная фазовая, QPSK) используются четыре символа, каждый определяет два бита. Если увеличить число возможных символов до восьми (8PSK), каждый отсчет сигнала будет определять три би т и скорость передачи возрастет в полтора раза. Очевидно, что, чем хуже условия связи, тем меньше символов может распознать приемник (т.е. тем больший фазовый сдвиг способен распознать его детектор). Поэтому в зависимости от зашумленности эфира вид модуляции в HDR меняется. Технология HDR позволяет достигать пиковых скоростей порядка 2,4 Мбит/с в стандартной полосе 1,25 МГц. О работе над аналогичной технологией — lXtreme заявила и компания Motorola.

Спецификация CDMA ЗХ — вторая фаза проекта cdma2000. Обозначение ЗХ указывает на утроение спектральной полосы канала cdmaOne: 1,25 х 3 = 3,75 МГц. При этом в обратном канале происходит передача методом прямой последовательности в полосе 3,75 Мгц. В прямом же канале данные передаются параллельно по трем стандартным IS-95 каналам шириной 1,25 МГц (технология с несколькими несущими, МС) (рис. 7.6). В результате скорость может превышать 2 Мбит/с. Поскольку технология базируется на IS-95, БС в сетях cdma2000 требуют синхронизации. Существенно, что вполне возможно дальнейшее масштабирование: 6Х, 9Х и т. д. с соответствующим ростом производительности или емкости.

Важнейшая особенность cdma2000 его полная совместимость с предыдущими фазами, вплоть до cdmaOne. Не требуется нового частотного диапазона и существенного изменения аппаратуры. Фактически возможно плавное улучшение параметров существующих сетей IS-95 до требований IMT-2000. Правда, возникает глобальная проблема: совместимость стандартов cdma2000 и WCDMA, причем как на уровне терминалов, так и сетевой инфраструктуры (MAP/GSM и ANSI-41). Впрочем, обе технологии поддерживают протокол IP, что может стать для них объединяющей платформой.

Отметим, что, поскольку в России сетей CDMA практически нет, казалось, что вариант cdma2000 с его достоинствами — не для нас. Однако это утверждение опровергнуто появлением сетей стандарта cdma2000-450, работающих в диапазоне 450 МГц. Они пришли на смену сетям аналогового сотового стандарта NMT-450.

Переходные технологии GPRS и EDGE (сети 2,5G)

Плавный переход к сетям 3G крайне привлекателен и для операторов сетей с технологией TDMA — GSM и DAMPS. Методов повышения быстродействия сетей GSM несколько. Изначальная скорость передачи данных в них составляла 9,6 кбит/с. Однако по каждому каналу через 4,615 мс передается эквивалент 156-разрядного пакета, следовательно, максимально возможная теоретическая скорость в GSM-канале 33,8 кбит/с. Существенная доля этой полосы отведена для служебной информации, сигнализации, а также алгоритмов защиты от ошибок и криптозащиты. Оставшаяся часть полосы используется для передачи оцифрованной речи со скоростью 13 кбит/с. Скорость передачи данных еще ниже, поскольку при стандартной схеме они следуют через речевой кодек. Изменив алгоритм защитного кодирования, удается увеличить скорость до 14,4 кбит/с.

Следующим шагом стало введение схемы HSCSD (высокоскоростная передача данных по коммутируемым каналам). Она предусматривает объединение нескольких канальных интервалов. Так, при объединении двух интервалов возможна скорость 19,2 (9,6 х 2) и 28,8 (14,4 х 2) кбит/с. Для этого в основном необходимы изменения в программах поддержки протоколов, не затрагивающие аппаратной части и инфраструктуры сети. Более высокие скорости (например, 9,6 х 4 = 38,4 кбит/с) требуют модернизации аппаратуры мобильных телефонов. Дальнейшее увеличение скорости, например до 76,8 кбит/с (9,6 х 8), ограничено сетевой инфраструктурой (64 кбит/с в канале между БС и коммутатором).

«Прорывным» стало внедрение технологии пакетной передачи GRPS дальнейшего развития HSCSD. В самом деле, для сотовых систем второго поколения сеть с коммутацией каналов атавизм. Введение пакетной коммутации делает мобильные сети легко совместимыми с IP- и Х.25-сетями, создании тем самым прекрасную платформу для перехода к WCDMA.

При пакетной коммутации данные передаются через свободные от речевого трафика канальные интервалы. Совершенно реальными становятся скорости свыше 100 кбит/с (теоретический предел 33,8 х 8 = 270,4 кбит/с). Мобильный терминал может одновременно поддерживать голосовое соединение и обмен данными без ухудшения качества речи.

Одно из важнейших достоинств пакетной коммутации — очень быстрое установление соединения. Абонент занимает канал только в момент передачи. Поэтому тарификация может происходить на основе реально переданной информации (числа пакетов), а не пропорционально времени нахождения в сети, как при коммутации каналов. Скорости обмена могут гибко меняться. Кроме того, пакетный режим позволяет мобильному телефону работать как персональная радиостанция в режиме постоянно установленного соединения (виртуального), т. е. можно разговаривать, не нажимая ни на какие кнопки. Голос при этом передается по IP-протоколу в пакетном режиме, используя технологию GPRS. Поскольку трафик расходуется только при непосредственной передаче данных, все остальное время телефон остается «на связи» (точнее, в состоянии постоянной готовности к связи, собственно соединение при GPRS устанавливается за пренебрежимо малое время), но пользователь за это не платит.

Чтобы внедрить технологию GRPS в существующие сети GSM, их инфраструктуру достаточно дооснастить оборудованием пакетной передачи (основные устройства — шлюзовые и управляющие узлы, GGSN и SGSN), а каждый GSM-контроллер — блоками управления пакетной связью (PCU). Развивать GRPS-сеть можно постепенно, оснащая ее узлами GGSN и SGSN.

Дальнейшим развитием пакетной передачи стала технология EDGE (Enhanced Data for Global Evolution, изначально вместо Global стояло GSM) [59,57]. В ее основе — изменение метода модуляции несущей и адаптивная схема защитного кодирования. Напомним, в GSM применяется модуляция GMSK с одним битом на символ.

В EDGE предусмотрена модуляция 8PSK с тремя битами на символ. Таким образом, скорость передачи утраивается. Предусмотрено два режима EDGE: с коммутацией пакетов (EGRPS, Enhanced GRPS) и с коммутацией каналов (ECSD, Enhanced Circuit Switched Data). Скорости в одном канале передачи увеличиваются соответственно до 69,2 и 38,4 кбит/с. В режиме коммутации каналов возможно объединение канальных интервалов, как в технологии HSCSD.

Режим пакетной передачи предусматривает девять скоростей [57], отличающихся схемой защитного кодирования и видом модуляции несущих. Скорость автоматически изменяется от пакета к пакету в зависимости от условий в эфире. На физическом уровне протокол EDGE совпадает с GSM, включая структуру кадров и мультикадра (только разряды РВ включены в блоки данных, см. рис. 7.1). При этом общая скорость на несущую до 384 кбит/с, что позволяет рассматривать EDGE как технологию сетей третьего поколения.

EDGE может послужить базой для эволюции не только сетей GSM, но и DAMPS. В январе 1998 г. консорциум UWCC (Universal Wireless Communications Consortium) принял EDGE за основу дальнейшего развития сетей DAMPS, создав концепцию UWC-136. Она предусматривает расширение полосы канала DAMPS с 30 до 200 кГц с соответствующим ростом скорости. Данный проект внесен на рассмотрение ITU как система 3G (проект IMT-SC). На платформе EDGE возможна и интеграция сетей DAMPS с сетями GSM. Отметим, что прорабатываются два варианта EDGE-сетсй: COMPACT и Classic. Последний ориентирован на стандартные GSM-системы, тогда как COMPACT — это решение в условиях ограниченного частотного ресурса. Сети COMPACT могут занимать диапазон шириной всего в 600 МГц. При этом БС должны быть синхронизированы, например, с помощью сигналов системы GPS.

Развитие сетей третьего поколения

Естественно, возникает вопрос: нужны ли сети 3G? Тревогу вызвали результаты уже первых аукционов по продаже лицензий на право предоставлять услуги 3G. В Великобритании общая сумма продаж лицензий составила 34 млрд долларов, в Германии — 46 млрд долларов. Возмещать операторам такие затраты будут пользователи их услуг. Захотят ли они ими пользоваться, если есть более дешевые альтернативные решения?

Готовность рынка принять данную технологию невелика. Это подтверждают события во Франции, где на четыре ЗС-лицензии нашлось лишь два оператора-претендента при «умеренной» цене лицензии — около 4,5 млрд долларов. Кроме того, технические возможности и пользовательские приложения — вещи разные. Просмотр видеороликов в мчащемся автомобиле потрясает воображение инженера, но нужен ли такой сервис массовому пользователю? Тем более на малом экране портативного устройства.

С другой стороны, достижения производителей элементной базы для устройств 3G не могут быть проигнорированы рынком. Кроме того, сети 3G нельзя рассматривать просто как беспроводную телефонию. Это — высокоскоростные БСПИ со всеми вытекающими последствиями. Важнейшее из них в 8 раз более эффективное, по оценкам экспертов, использование емкости сети [28]. Разумеется, при наличии соответствующих информационных сервисов. Это означает, что падает удельная себестоимость инфраструктуры сетей. Если затраты для ввода одного абонентского номера GSM составляют, по разным оценкам, 320-350 долларов, то при эволюционном переходе к сетям UMTS дополнительные затраты не превышают 50 долларов, а потребности в услугах передачи данных неуклонно растут. Так, в августе 2003 г. средний доход от передачи данных у операторов Западной Европы составил 15% от общего объема и продолжает расти. Предполагается, что в 2005 г., с учетом распространения услуг 3G-ce-тей, этот показатель составит 30%.

Сегодня лидерство во внедрении 3G уверенно захватили страны Юго-Востока. 2003 г. можно назвать первым годом эксплуатации 3G. В 2002 г. японская корпорация NTT DoCoMo первой построила коммерческую 3G-ceTb и начала активно оказывать услуги Через год ее ЗС-услугами пользовались 6,8 млн человек. Однако этого крупнейшего японского оператора обогнала компания KDDI, стартовавшая позднее. За полтора года к ее ЗС-сети подключилось более 10 млн абонентов. Заметим, что к началу 2003 г. общее число абонентов 3G в Японии составляло лишь 7,161 млн, причем всего абонентов мобильной связи в этой стране тогда было 75,656 млн человек. В конце же 2003 г. услугами связи 3G пользовались более 60 млн человек, и ежемесячно их число увеличивается более чем на 3,5 млн. Всего коммерческие услуги 3G предоставляются более чем в 30 странах мира: развернуто 70 сетей стандарта cdma2000 и 12 сетей стандарта UMTS. В 2003 г. доля мирового рынка производимого оборудования 3G составляла 30%, к 2005 г. предполагалось ее увеличение до 75% |28].

Необходимо сделать существенную оговорку. Термин «услуги 3G» крайне расплывчат; из статистических данных зачастую невозможно понять, о какой же технологии идет речь. Например, сегодня самая массовая ЗС-технология — cdma2000. Но она подразумевает плавный переход от 2С-стандарта IS-95a (cdmaOne). При этом сохраняется полная обратная совместимость. Иными словами, оператор может постепенно дооснащать ЗС-оборудованием свою CDMA-сеть, превращая ее в 3G-ceTb cdma2000, а все «старые» телефоны как работали, так и будут продолжать работать. С технологией WCDMA ситуация принципиально иная, поэтому таких сетей гораздо меньше. Таким образом, очевидно, что, говоря о ЗС-услугах. имеют в виду ЗС-сети. Возможность же получения ЗС-услуг зависит от наличия ЗС-телефонов, которых в Европе, да и во всем мире, пока немного. Практически все развернутые ЗС-сети имеют двухмодовый режим работы (2,5G/3G) и используются операторами для выявления числа абонентов, готовых оплачивать услуги, не связанные с передачей голоса и SMS. Подавляющее большинство абонентов таких сетей, хотя именуются «абонентами услуг 3G сетей», в реальности пользуются обычными 2,5С-телефонами. Отсюда берутся те многие миллионы абонентов ЗС-сетей.

Тем не менее с внедрением ЗС-технологий европейские и американские операторы испытывают проблемы. На лицензии потрачены огромные деньг и, их надо возвращать. Как подсчитали аналитики из инвестиционного банка Schroder Salomon Smith Barney, лицензии окупятся только в том случае, если каждый европеец будет дополнительно приносить оператору связи не менее 500 евро ежегодно. В результате операторы все чаще приходят к выводу о необходимости объединения своих ресурсов в проектах по развертыванию ЗС-сетей.

Гонконгская компания Hutchison Whampoa объявила о решении создать сотовую связь 3G в Западной Европе. Она действует под учрежденной ею торговой маркой «3» (65% акций «3» принадлежит Hutchison, еще 20% владеет NTT DoCoMo) и к 2003 г. уже вложила в проект порядка 16,7 млрд доллпров. Hutchison активно реализует свои планы создания ЗС-сетей в Великобритании, Италии, Швеции, Австрии и других странах. Благодаря усилиям Hutchison к концу марта 2003 г. первые 60 тыс. европейцев (50 тыс. в Италии и 10 тыс. в Великобритании) смогли оценить связь третьего поколения. Зона обслуживания абонентов сети UMTS в Великобритании составляет 70% территории (4,3 тыс. базовых станций), в Италии — 50% (3,2 тыс. базовых станций), соответственно 200 и 400 тыс.. абонентов. Деятельность Hutchison в области 3G не ограничена Европой. Она запустила 3G-ceTb и в Австралии, под тем же брендом «3», как и в Европе.

Китай пока не спешит внедрять сети 3G. В частности, в докладе «Управление и развитие China Telecom в 2003 г.» представитель компании ZTE (производитель телекоммуникационного оборудования) заявил, что оператор China Telecom выберет в качестве стандарта сотовой связи третьего поколения W-CDMA, а не TD-SCDMA. Этот оператор строит опытную тестовую сеть в семи китайских городах, включая Шанхай.