Эволюция: на пути к 4G


Поколение за поколением

Начало 90-х годов. Россия, холодный Мурманск. В уютном баре гостиницы «Арктика» финские рыбаки хвастаются диковинкой — телефонной трубкой без проводов, да еще и с кнопками вместо наборного диска! И даже с экраном, чем-то здорово напоминающим советские электронные хиты «Ну, погоди!» и «Тайны океана».

Давно ли это было? Каких-то двадцать лет назад. «Настоящий» сотовый телефон стандарта NMT впервые оттранслировал русскую речь в 1987 году. Первым советским пользователем мобильной связи стал Михаил Горбачев. Но по-настоящему массовой сотовая связь стала лишь к началу третьего тысячелетия, когда даже студенты (не путать с бездельниками) смогли позволить себе телефон и умеренный тарифный план. За это время мобильная связь успела шагнуть с первого поколения до третьего: первая UMTS-сеть заработала в 2001 году в Японии.

Летом 2010 года внимание общественности захватили скандалы, связанные с распределением лицензий на частоты для развертывания сетей LTE. Как сказал бы Винни-Пух, это ж-ж-ж неспроста. Переход на новые технологии сулит существенное увеличение скоростей передачи данных, а также — емкости сети. И, как следствие, удешевит обслуживание. В общем, выведет конкуренцию на новый виток. Почему именно LTE, а не WiMAX или продвинутые версии сетей третьего поколения? Вот об этом мы сейчас и поговорим.

Классификация и разбиение зоопарка технологий сотовой связи на поколения вызывает массу споров даже в серьезной литературе. Кто-то вводит компромиссные доли (поколение 2,5 или даже 2,75), кто-то авторитарно помещает технологию в ту или иную ступень.

В чем большинство классификаторов сходятся, так это в делах давно свершившихся. С первым поколением (1G) определенность очевидна: это аналоговые NMT и AMPS, а также несколько местечковых стандартов, некоторые из которых живы и по сей день. Характерная особенность технологий первого поколения — использование цифрового канала только для служебного «общения» аппаратов с базовыми станциями. Передача голоса осуществляется в открытом виде, с использованием FM-модуляции, по сути мало чем отличаясь от иногда выделяемых в отдельное поколение (0G) радиотелефонов.

В России первая сеть NMT («Дельта-Телеком») была торжественно открыта в сентябре 1991 года, и, без особой помпы, закрыта 1 марта 2005 года.

Технологии второго поколения (2G) не столь однозначны. Передача голоса, в отличие от первого поколения, осуществляется через шифрованный цифровой канал. Но организация разделения общего ресурса, суть частотного диапазона, разбила мир на два крупных лагеря: GSM и IS-95 (читателям, скорее всего, известным под обобщенным названием CDMA). Последний стандарт разработан позднее, и в техническом плане куда более современен. В силу разных причин бизнес-характера, сети IS-95 не получили широкого распространения в России. Да и в мировом масштабе GSM-сети имели несколько лет форы. За это время операторами было закуплено такое количество оборудования, что переход на несовместимые стандарты на базе CDMA был попросту нерентабелен. Все это продлило жизнь GSM на долгие годы.

Отсюда и тяжелые муки при рождении третьего поколения, 3G. Возмужавшие и окрепшие сторонники GSM организовали группу 3GPP (3rd Generation Partnership Project). В противовес им адепты IS-95 (из Японии, Китая, Кореи, США и Канады) составили рабочую группу со скромным названием 3GPP2. Несмотря на схожесть наименований, общего у этих двух организаций только соответствие формальным требованиям к сотовым сетям третьего поколения. Которые, в свою очередь, приняты еще одним объединением, в этот раз уже мирового масштаба: Международным Союзом Электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) под эгидой ООН. Спецификация IMT-2000 регламентирует пиковые значения скорости передачи данных, при которых ту или иную технологию разрешается относить к третьему поколению.

Разумеется, одним прыжком пропасть между CSD (та самая «передача данных», тарифицировавшаяся поминутно, которую неопытные пользователи часто путали с GPRS) и 3G преодолеть не получилось. Что и привело к различным промежуточным решениям. Для удобства сопоставления их часто называют 2,5G: HSCSD (тот же поминутный «канал данных», только чуток быстрее), ECSD (еще более быстрый «канал данных»), GPRS и его «разогнанный» вариант EGPRS. Для простоты понимания ECSD и EGPRS объединяли под термином EDGE. Главным достоинством этих промежуточным схем была полная обратная совместимость с обычными сетями GSM. Голосовая связь оставалась и вовсе без изменений.

В сетях третьего поколения конкурирующие 3GPP и 3GPP2 совершили неожиданный оверштаг. Первая группа сделала реверанс в сторону CDMA в виде технологии UMTS. Вторая же презентовала EV-DO, базирующуюся на TDMA. В обоих случаях оставлена совместимость с клиентским оборудованием предыдущего (2G) поколения.

Технологию UMTS называют официальным преемником GSM. Это подчеркивается и альтернативным названием 3GSM. Однако для абонентских устройств UMTS не имеет ничего общего с GSM: используются другие частоты и другой метод разделения каналов. Иными словами, GSM-терминал с поддержкой UMTS по сути содержит два независимых модуля.

Исходная версия UMTS продержалась на плаву почти четыре года. В 2005 последовал очередной виток эволюции, на этот раз в несимметричном виде: HSDPA (high-speed downlink packet access), с увеличенной до 7,2 Мбит/c скоростью нисходящего потока. Справедливость была почти восстановлена через два года, с появлением HSUPA, но следующая итерация HSPA+ вернула асимметрию: до 42 Мбит/с в нисходящий канал и до 11 Мбит/c в обратном направлении. Перечисленные технологии не нарушали совместимости со старым оборудованием. Отсюда и принадлежность к третьему поколению. В некоторых документах HS-технологии выделяют в отдельную категорию 3,5G. Встретите подобное название — не удивляйтесь.

В стане CDMA2000 развитие шло аналогичным путем, но с чуть меньшим размахом как по размерам абонентской базы (по усредненным оценкам, на каждого абонента CDMA2000 приходится три пользователя UMTS), так и по скорости работы.

На пороге

Если взглянуть на развитие технологий мобильной связи, можно заметить довольно простую закономерность: каждые 10 лет происходит смена поколений. На дворе 2010 год, приходит время 4G. И действительно, еще в 2008 году Международный союз электросвязи (IMT) представил требования IMT-Advanced, соответствие которым и определяет формальную принадлежность технологии четвертому поколению. Ключевым пунктом данной спецификации является возможность, пусть хоть и теоретическая, передачи данных на скорости в 1 Гбит/c на фиксированный терминал и до 100 Мбит/c на мобильный.

Тяжеловесная межгосударственная структура слегка опаздывает за прогрессом. Или, вернее, разработчики новых систем связи торопят события в попытках одержать маркетинговую победу. Как бы то ни было, несмотря на распространенное заблуждение, технологии LTE и WiMAX в их нынешнем виде не удовлетворяют требованиям IMT-Advanced. А значит, сетями 4G формально не являются.

Не будем укорять производителей, поторопившихся с наименованиями. Отметим лишь, что все продающиеся на данный момент устройства и сети в коммерческой эксплуатации в действительности принадлежат к переходному поколению. «Настоящий» 4G следует ожидать не раньше 2011 года в виде LTE Advanced или 802.16m.

Ключевой причиной, побудившей разработчиков LTE и WiMAX записать технологии в четвертое поколение, стала полная несовместимость с существующими абонентскими устройствами. Монетка зависла в воздухе: уже не 3G, но еще и не 4G.

Путь к светлому будущему

Поддержка очередного «прорыва» в мобильной связи всегда оборачивается необходимостью обновления как абонентских устройств, так и инфраструктуры сотового оператора. Состояние карманов пользователя обычно не очень волнует промоутеров новых технологий. А вот стоимость оборудования операторов напрямую влияет на успешность внедрения. Именно поэтому некоторые технологии подчеркнуто называют «совместимыми»: так, среди преимуществ UMTS постоянно упоминается совместимость с GSM. Пользователя это не спасает от необходимости покупки нового терминала. Зато больше шансов, что оператор быстрее развернет новые сервисы. С высокой долей уверенности можно предположить, что подавляющее большинство читателей не интересуется затратами операторов. Поэтому в статье инфраструктурной стороне новых технологий уделяется мало внимания.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)

Пока операторы сотовой связи корпели над внедрением 3G, «околокомпьютерные» компании, возглавляемые Intel, объединились в организацию, в 2001 году получившую название WiMAX Forum. Их целью стала разработка стандарта высокоскоростной беспроводной связи. В апреле 2002 года IEEE выпускает спецификацию 802.16, модификации которой нынче известны под общим названием WiMAX.

Первоначально, в 2004 году, WiMAX существовал только в варианте для терминалов с малой мобильностью: стационарных модемов, ноутбуков и прочих неподвижных предметов. Ветка стандарта получила индекс 802.16d. Нельзя сказать, чтобы проект пользовался оглушительным успехом. Но свою нишу, в основном в виде замены проводных DSL-технологий, захватил. Пиковая пропускная способность fixed WiMAX составляет 75 Мбит/c при условии, что для вещания свободны все определенные стандартом 192 диапазона шириной 20 МГц каждый. Радиус действия одной базовой станции не превышает 10 километров.

Стандарты WiMAX описывают специальные механизмы планирования обмена данными между базовыми станциями и абонентскими терминалами. Это дает возможность реализации гарантий качества обслуживания (QoS). Которые, в свою очередь, необходимы для обеспечения голосовой и видеосвязи, очень чувствительных к задержкам при передаче сигнала, но допускающих пропуски пакетов. В этом WiMAX очень отличается от 802.11 (Wi-Fi), где вещание организовано по аналогии с Ethernet.

В 2005 году вышла спецификация 802.16e. Этот вариант получил заметно большую поддержку. В настоящее время под WiMAX зачастую понимают именно мобильную спецификацию. В отличие от предыдущей версии, стандарт разрешает перемещение терминалов на скорости до 120 км/ч без разрыва соединения. Как и в сетях сотовой связи, абонент «передается» от одной базовой станции к другой (handover). Нашлось место и для букета непростых технологий, еще несколько лет назад остававшихся привилегией военных (SOFDMA, MIMO, HARQ).

Эти нововведения фактически закрыли путь к эволюции фиксированных сетей WiMAX в мобильные. Иными словами, провайдер не сможет использовать одни и те же частоты для разных версий стандарта. Лицензировать разные диапазоны — удовольствие дорогое, а в России еще и сложнодостижимое. Поэтому большинство компаний предпочли развернуть более современные сети мобильного WiMAX. Кстати, несмотря на общий префикс Wi* в наименованиях WiMAX и Wi-Fi, а также принадлежность к единому семейству IEEE 802, стандарты решают разные задачи. Ключевое различие — «дальнобойность». В случае с WiMAX, до десяти километров в фиксированной и до пяти километров в — мобильной версии.

Сам стандарт по большому счету регламентирует только доставку данных до абонентских терминалов. Этим он сильно отличается от комплексных решений, которые предлагает 3GPP. Что и предопределило неудачу 802.16 у операторов мобильной связи: внедрение новой технологии потребовало бы огромных затрат на интеграцию с существующими сервисами.

В итоге внедрением WiMAX занялись совсем другие компании. Так, в России в 2008 году первую сеть WiMAX в коммерческую эксплуатацию запустила компания «Скартел» (под брендом Yota). Строительством сетей также занялись «Синтерра» (в настоящее время поглощена «МегаФоном»), «Комстар» (ныне принадлежащий группе компаний МТС) и другие компании масштабом поменьше. «Вымпелком» (бренд «Билайн») сделал самостоятельный рывок в эту сторону, но, не получив лицензий, отказался от развития сетей WiMAX, мотивировав свое решение отсутствием перспектив. «Я думаю, у WiMAX нет будущего», — заявил Владимир Рябоконь, вице-президент компании.

Похоже, подобного мнения придерживаются и другие компании. Так, в планах «Скартела» значится переход на… LTE! Можно ли это назвать официальным признанием преимуществ LTE над WiMAX? Да, безусловно. Значит ли это, что WiMAX исчезнет? Отнюдь: обновление 802.16m сулит большие перспективы.

LTE (Long Term Evolution)

Проект LTE был начат в 2004 году, задолго до публикации IMT-Advanced. Разработка велась группой 3GPP, но с непосредственным участием конкурентов-союзников из стана CDMA. Отсюда и требования к совместимости: абонентский терминал, имея соответствующую аппаратную и программную поддержку, может бесшовно переходить из сети LTE как в UMTS, так и в CDMA2000, WiMAX, и даже в старые сети GSM или IS-95! Первоначально группа 3GPP2 хотела предложить свой, конкурирующий стандарт UMB (он же EV-DO Rev. C). Но в 2008 году основной спонсор проекта, компания Qualcomm, решила влиться в группу разработчиков LTE, отказавшись от UMB.


По данным Ced Magazine, 2010 год.

В сетях третьего поколения голосовой трафик уступает передаче данных. Отсюда и направление развития: увеличение пропускной способности и емкости сети, уменьшение времени отклика. При проектировании LTE использовался как богатый опыт провайдеров мобильной связи, так и знание недостатков WiMAX.

В отличие от WiMAX, LTE базируется на существующей инфраструктуре. Организация «последней мили» (eUTRAN, evolved UMTS terrestrial radio access network) эксплуатирует большинство удачных находок WiMAX: методы мультиплексирования для нисходящего трафика, способы модуляции, запрос повторов (HARQ), применение нескольких приемопередатчиков (MIMO), формирование адаптивной диаграммы направленности. Но изначальная направленность LTE на мобильное применение оказало существенное влияние на разработку. Так, в отличие от WiMAX, для организации восходящего (от абонента к базовой станции) канала используется упрощенный вариант мультиплексирования (SCFDMA). Снижение пропускной способности в данном случае оправдано значительно меньшей стоимостью, и, что еще важнее, расходом электроэнергии.

Другой важной частью спецификации LTE является инфраструктура. Группа 3GPP предлагает системную архитектуру ядра сети (SAE, System Architecture Evolution). Эволюционность в данном случае подразумевает совместимость новых наработок с существующей инфраструктурой провайдеров мобильной связи. По сути, SAE представляет собой апгрейд ядра сети GPRS. Разработка устройств и программного обеспечения к ним также упрощается за счет полного перехода на протокол IP. Тот самый, «компьютерный». При этом исчезает архаичная схема коммутации каналов — весь трафик, в том числе голосовой, передается посредством VoIP. Разумеется, с соответствующими многоуровневыми гарантиями (QoS). Для обеспечения требований к производительности (потенциально, архитектура способна нести нагрузки LTE Advanced) и времени отклика, базовые станции сети получат новые высокоскоростные интерфейсы, а также будут наделены существенно большими полномочиями, в значительной мере выполняя функции контроллеров радиосети (RNC, radio network controller).


На иллюстрации изображены компоненты 2G-сетей, которые будут заменены или дополнены новыми технологиями: WiMAX/LTE работают с радиочастью, SAE дополняет традиционную архитектуру провайдера.

Группа 3GPP учла интересы многих сторон при создании этой архитектуры. SAE поддерживает мобильность абонентов между разными радиосетями, включая разработанные группами 3GPP2 и WiMAX Forum. Ничего удивительного, что «Скартел» осуществил попытку запуска LTE.

Традиционно, внедрение любой технологии в области радиосвязи в России протекает очень медленно. И дело тут вовсе не в неготовности рынка принять новинки. Быстрый и недорогой беспроводной интернет с хорошим покрытием сети — гарантированный хит продаж! Это понимают как операторы «Большой тройки», так и чиновники Государственной комиссии по радиочастотам. Попытка монополизации частотного ресурса для LTE невесть откуда появившейся компанией «Основа Телеком» приобрела скандальную известность. Остается лишь надеяться, что подобный трюк не пройдет и лицензии получат хотя бы крупные операторы. Иначе, при отсутствии конкуренции, дешевого LTE россиянам не видать — строить с нуля сеть не только очень дорого, но еще и долго.

Лазейка неожиданно нашлась у компании «Скартел»: условиям лицензий, полученных для реализации сетей WiMAX, удовлетворяет и LTE! Не в последнюю очередь благодаря схожести организации радиообмена. На радостях, «Скартел» громко заявил о своих намерениях открыть LTE-сети в пяти крупнейших городах России. Но государственные традиции нарушать нельзя: Роскомнадзор приостановил действие лицензий компании «Скартел». Последовали долгие судебные препирательства, продолжающиеся и по сей день.

Куда расторопнее оказались наши соседи по СНГ. 28 июля 2010 года компания МТС запустила сеть LTE в Узбекистане. Дочка «Вымпелкома» (КаР-Тел) преуспела в Казахстане: сеть в Алма-Аты в тестовом режиме была запущена 27 октября.

Выводы

Итог прост: если вы живете в России и пропускной способности сетей 3G вам не хватает, — это прямая дорога к Yota. Вспомните, сколько лет прошло от запуска первой UMTS-сети в Японии до начала эксплуатации технологии в России. Неизвестно, стоит ли ждать более быстрой реакции бюрократического аппарата. Но если в стране вашего проживания развитию LTE-сетей подобные сложности не мешают, стоит предпочесть именно эту технологию. В силу меньшей стоимости внедрения ее предпочтет большинство крупных компаний.

А сети и терминалы четвертого поколения пока не готовы. «Я говорю, анисовой, к сожалению, нет. Столичная!» Выбирайте, WiMAX или LTE. Здравы будем, бояре!




Дополнительно

ВИКТОРИНА TT

Материнские платы какого форм-фактора можно устанавливать в корпус Thermaltake Versa C22 RGB Snow Edition?

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.