Поговорим о воздушных замках

Действительно, платежеспособный спрос на сотовую связь в нашей стране возрос, но вопрос состоит лишь в том, почему.

Ведущие московские компании, втянутые в войну тарифов, вынуждены постоянно снижать цены, дабы удерживать прежних и привлекать новых клиентов. Времена легких прибылей давно закончились, и конкуренция на рынке сотовой связи все больше ужесточается (о чем свидетельствуют и события нынешней осени). Все это позволяет прогнозировать, что и в обозримом будущем сотовые телефоны будут дешеветь, а тарифы — снижаться.

Можно соглашаться или не соглашаться с сотовиками, утверждающим, что сбылись их предсказания и сотовая связь стала социально необходимой, а мобильный телефон из престижной игрушки превратился в предмет обихода. Однако удобство мобильной связи — вне обсуждений, как и то, что мы готовы за нее платить именно столько, сколько запрашивают. А вот будем ли мы завтра покупать услуги 3-го поколения — еще не факт.

Новые технологии рождают... деньги

Сегодня, когда операторы систем 2-го поколения вынуждены конкурировать не только между собой, но и с призраками сетей связи 3-го поколения (которых еще никто не видел в действии, но о которых так давно и восторженно пишут и говорят), у маркетологов есть три главных вопроса. Первый — как конкурировать с системами 3G, второй — сколько это будет стоить, третий — насколько это выгодно. Любопытно, что вопрос, можно ли конкурировать, даже не ставится. Все и так знают, что можно.

Связь 3-го поколения, за которую в последние годы так ратовали европейские операторы на международных форумах и выставках, рассматривалась ими как шанс выиграть у Америки гонку за завтрашнего абонента. И дело здесь вовсе не в мегабитах, децибелах или килогерцах, а в том, как распределятся рабочие места и денежные ресурсы, необходимые для организации такой связи. Ситуация не нова — она повторяется снова и снова при возникновении очередного «PR-смерча» технологической революции. Вспомните, например, как лет 15 назад нам прямо-таки навязывали аналоговый стандарт телевидения высокой четкости.

Лицензии 3G манили операторов всего мира уже довольно давно, а в июле 2000 г. аналитики предсказали, что за год-полтора их будет продано более 70. В охватившей всех эйфории, навеянной миражами сказочных доходов, мало кто давал себе труд трезво оценить положение дел. И только состоявшиеся в Великобритании и Германии крупнейшие частотные 3G-аукционы, после которых акции их победителей упали в среднем на 40—50%, заставили всех задуматься о реальных сроках возврата денег, потраченных на этих аукционах. Сегодня операторы и аналитики от связи называют самые разные сроки окупаемости инвестиций, требующихся для развертывания сетей 3G. По самым оптимистичным прогнозам, вложения вернутся не раньше, чем через пять-семь лет.

При этом не стоит забывать, что последствия падения котировок, а следовательно, и кредитных рейтингов связных компаний абсолютно непредсказуемы. Пытаясь поскорее решить свои финансовые проблемы, операторы запросто могут повысить расценки на услуги 3G-сетей, но тогда эти услуги станут недоступными для многих потенциальных абонентов. А общественное мнение о необходимости сетей 3-го поколения как таковых формируют именно они.

Многим весь этот психоз насчет поколений вообще непонятен: дайте нам услугу и получите деньги — вот и весь сказ. Кроме того, далеко не все согласны с тем, что за услуги надо платить все больше, и больше, и больше, даже если это услуги 3G. Не следует забывать известный закон потребления, согласно которому люди того или иного круга способны тратить на товары и услуги не больше определенной суммы. В развитых странах маркетологи достаточно точно знают, сколько среднестатистическая семья тратит на развлечения, сколько — на получение информации, на спорт и так далее. У нас о такой точности приходится только мечтать, но какие бы новшества ни предлагали операторы, какие бы технологические чудеса ни обещали, количество рублей, которое российская семья готова выложить за связь и информационные услуги, практически не меняется. Поэтому было бы большой ошибкой считать, что как только операторская компания (будь то МТС, «БиЛайн» или «Северо-Западный GSM») предложит новые дорогие услуги, ее доходы тут же стремительно вырастут. Не вырастут. И чем больше мы слышим о преимуществах 3G, тем чаще приходит на ум, что рассуждения о новом поколении, о технологической революции, о «принципиально новом» наборе услуг — это всего лишь завлекалочки для инвесторов.

Что мы имеем

В свое время главным движущим фактором создания Глобальной системы подвижной связи — Global System for Mobile communications (GSM) — стала необходимость в общеевропейской системе, которая заменила бы огромное количество разнообразных, в основном несовместимых, аналоговых сотовых систем. В Северной Америке и Японии (где использовались одинаковые аналоговые системы) необходимость в стандартизации протоколов IS-54 и IS-95, соответственно, и унификации спецификаций для персональной цифровой сотовой связи (PDC) возникла из-за нехватки спектральных ресурсов, требующихся для обслуживания областей с высоким трафиком.

Системы подвижной связи 2-го поколения разрабатывались для передачи речи и предоставления разнообразных услуг, с нею связанных. Самые лучшие из этих систем уже сегодня способны предоставлять и информационные услуги, однако их скорости, как говорится, оставляют желать... В ходе процесса, который вполне можно назвать естественным отбором, из полутора десятков систем, предложенных в начале 90-х, выжило шесть. Их технические характеристики позволяют создавать устойчивые радиолинии и достаточно эффективно использовать спектр, а функциональные возможности обеспечивают защищенность связи. В табл. 1 представлены основные характеристики систем подвижной связи 2-го поколения, выпускавшихся в конце 80-х — начале 90-х. Сегодня они стали несколько другими.

В наши дни операторы отчаянно ищут новые источники доходов и способы повышения конкурентоспособности услуг. Наиболее перспективный путь для достижения таких целей — расширение возможностей и улучшение качества связи систем 2-го поколения. А если не отбрасывать тезис о перспективности всего того, что обещано для 3-го поколения, эти возможности и качество должны стать как можно более близкими к прогнозируемым для 3G. А значит, операторам придется предоставлять дополнительные услуги высокоскоростной передачи данных, включая мобильные мультимедиа-услуги, увеличивать емкость (или пропускную способность) сетей и расширять зоны радиопокрытия существующих сотовых систем.

Как расширить возможности?

Пропускная способность

Пропускная способность канала связи зависит от его устойчивости к помехам, эффективности управления доступом к среде передачи и применяемого метода многостанционного доступа. А самое главное, она в значительной степени зависит от «имеющегося в наличии» при планировании сети радиочастотного спектра.

Так, пропускная способность сети, частоты для которой назначаются «детерминистически», прямо пропорциональна доступному участку спектра и числу информационных каналов, передаваемых на одной несущей, но обратно пропорциональна полосе частот, занимаемой одним физическим радиоканалом, и допустимому числу каналов в соте, при котором гарантируется хорошее качество для подавляющего большинства соединений (90—95%). Несколько иной подход к проблеме должен применяться в системах стандарта DECT, использующих динамический выбор канала, а также в системах CDMA. Количество каналов хорошего качества в ячейке сети IS-95 зависит от числа имеющихся последовательностей расширения спектра, не подверженных воздействию помех.

Число несущих и/или информационных каналов

Для увеличения емкости систем 2-го поколения применяются относительно простые методы (табл. 2).

Использование дополнительного спектра в той же полосе частот. Если установленные ранее базовые станции могут задействовать дополнительные несущие, это самая удачная ситуация.

Использование дополнительного спектра в других полосах частот. Большинство систем 2-го поколения работают в полосах 800 и 900 МГц. Для них разрешено также задействовать полосы 1800 и 1900 МГц (например, GSM 1800 и PCS 1900). Больший объем трафика поддерживается за счет применения двухдиапазонных подвижных станций и адекватного механизма хэндовера между несущими в различных полосах.

Увеличение числа информационных каналов за счет применения нескольких речевых кодеков. Изначально в системах 2-го поколения применялись полноскоростные речевые кодеки. Следовательно, существовало однозначное соответствие между физическим и информационными радиоканалами. Использование кодеков с половинной скоростью позволяет, при том же количестве несущих, удвоить число информационных каналов и более чем вдвое повысить емкость сети (кроме того, сегодня существуют адаптивные многоскоростные кодеки — adaptive multirate codec, AMR). Благодаря применению таких кодеков выходные скорости передачи речевого и канального кодеков изменяются, и минимизируется время, в течение которого бывает занята несущая (при сохранении заданного качества передачи). Высвобождающиеся ресурсы могут использоваться для передачи дополнительного трафика.

Следует отметить, что последний метод повышения емкости может применяться только при наличии в продаже абонентских станций, работающих с различными комбинациями кодеков. Более того, для обеспечения совместимости этих станций с более ранними моделями абонентских устройств каждая ячейка сети должна поддерживать определенное число полноскоростных каналов.

Борьба с помехами

На первом этапе проектирования сотовой сети чаще всего прибегают к некоторым упрощениям, например принимают, что количество абонентов и объем трафика будут распределяться по сотам равномерно. В реальных системах они распределяются неравномерно, а кроме того, далеки от однородности условия распространения радиоволн. Однако ситуацию можно исправить, используя один из следующих методов борьбы с внутриканальными помехами или их комбинацию.

Медленные прыжки частоты (SFH). Каждый разговор «размазывается» по всем несущим частотам, используемым в данной ячейке. Во избежание внутрисотовых помех для различных соединений используется ортогональные (случайные или псевдослучайные) законы смены частот.

Обнаружение активности канала (VAD) и отсутствия непрерывности передачи (DTx). Согласно «телефонной» статистике, источник сигнала в канале передачи речи активен в течение примерно 40% времени разговора. При использовании системы DTx передача ведется только в период активности источника. Таким образом, усредненные внутриканальные помехи, создаваемые данным сигналом, существенно уменьшаются.

Регулировка мощности передатчика (PC). Обычно сигнал полной мощности необходим только во время первоначального доступа и в течение короткого периода после установления соединения. Во время самого разговора мощности передатчиков базовой и абонентской станций могут быть уменьшены до уровня, позволяющего поддерживать хорошее качество соединения. При этом достигается общее улучшение помеховой обстановки в сети.

Формирование луча антенны. Уровень помех, создаваемых во время каждого сеанса связи, может быть понижен за счет применения динамической «секторизации» ячейки. Приемник базовой станции принимает сигнал от абонента на узкий луч антенны, который динамически направляется на область вокруг абонентской станции. Аналогично, сигнал от базовой станции передается в луче, сфокусированном в направлении на абонентскую станцию. «Пространственная фильтрация» такого типа особенно полезна в очень компактных схемах многократного использования частот.

В литературе можно найти сообщения об увеличении емкости сетей GSM на 200% и более за счет применения комбинации SFH, VAD/DTx и PC. Правда, существует ряд проблем (они связаны с особенностями передачи пилот-сигналов и сигналов трафика), которые препятствуют внедрению в сотовых сетях GSM или IS-95 систем формирования антенного луча, однако есть данные и о значительном увеличении емкости радиосистем в случае использования методов формирования луча антенны в беспроводных локальных сетях на базе IS-95.

Ячейки нестандартных конфигураций

Объем трафика, передаваемого по сети, которая состоит из одинаковых ячеек, можно увеличить за счет дробления этих ячеек. Однако с уменьшением времени нахождения абонента в одной ячейке возрастает среднее число хэндоверов на один сеанс связи. Следовательно, из-за несостоятельности механизмов хэндовера, действующих при одинаковом размере сот, не удовлетворяются требования к качеству обслуживания.

Для областей обслуживания, которые характеризуются большими объемами передаваемого трафика, были предложены следующие новые конфигурации (см. табл. 2).

Микросоты и иерархическая организация сети. Охват участков с высокой активностью абонентов реализуется с помощью изолированных «островков», состоящих из микросот. Несущие, выделенные для макросотового уровня, используются обычным способом. Остальные несущие многократно задействуются в микросотовых «островках».

Алгоритмы выбора абонентской станцией параметров ячейки и алгоритмы управления соединением на контроллере базовой станции построены таким образом, чтобы трафик в зонах повышенной активности передавался преимущественно через микросоты. Дополнительные («зонтичные») ячейки обрабатывают избыток трафика. Например, им достается трафик от слишком быстро передвигающегося абонента (когда для поддержания связи с помощью микросот требуется слишком много операций хэндовера), или трафик абонентской станции (если при организации ее связи через микросоту страдает качество), или трафик станций, для которых попросту нет подходящих микросот.

Несмотря на трудности, связанные с управлением использованием радиочастот, к этому методу довольно часто прибегают для уплотнения участков существующих сетей 2-го поколения или систем на базе TDMA/FDMA.

Концентрические ячейки. Они создаются за счет разбиения имеющихся на базовой станции несущих на две группы. Несущие одной группы излучаются с полной мощностью и охватывают всю площадь соты, другие передаются с меньшим уровнем мощности и обеспечивают покрытие только внутренней зоны ячейки. Сигналы, передаваемые по внутренней зоне, создают меньше помех работе приемников соседних ячеек. Это позволяет большее количество раз использовать в сети соответствующие частоты, т.е. увеличивать объем трафика. Алгоритмы управления разработаны так, чтобы связь с абонентами, расположенными вблизи базовой станции, велась на частотах ближней зоны. Непрерывность связи для абонентов, пересекающих границу ближней зоны, обеспечивается с помощью простого механизма смены частоты внутри ячейки.

Многократное использование одной частоты при централизованном управлении сменой частоты и частичная загрузка соты. В микро- и пикосотовых сетях, построенных на базе систем TDMA/FDMA, могут многократно применяться одни и те же частоты, если каждая базовая станция способна работать со всеми имеющимися несущими в процессе медленной смены (скачков) частоты. Распределение законов смены частоты между абонентскими станциями, относящимися к кластерам соседних ячеек, выполняется центральным блоком управления. Кроме того, в режиме устойчивой связи при полной загрузке сети в каждой ячейке активно используется только некоторый процент доступной полосы (частичная загрузка соты).

Система управления сетью непрерывно отслеживает уровень помех в активных и неиспользуемых каналах, а также наличие «свободных от помех» последовательностей смены частот. Для новых вызовов выделяются каналы, не подверженные воздействию помех. Экстремальные ситуации, когда один и тот же канал и/или один и тот же закон смены частоты применяется в двух соседних ячейках, исправляются при помощи операции хэндовера внутри ячейки, выполняемой для одного из таких соединений. Этот способ уже достаточно давно применяется в действующих GSM-сетях, что позволяет значительно увеличить емкость.

Высокоскоростная передача данных

Коммутация каналов. Все радиосистемы 2-го поколения поддерживают службы передачи данных с коммутацией каналов, которые, как правило, обеспечивают скорости от 9,6 кбит/с в сотовых системах до 32 кбит/с в «бесшнуровых». Более высокие скорости достигаются за счет группирования и совместного использования физических каналов.

Реализация в GSM-системах протокола высокоскоростной передачи данных в режиме с коммутацией каналов HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) позволяет в одном сеансе связи объединить n полноскоростных каналов трафика (подвижный абонент может использовать в одном сеансе связи емкость, в n раз превышающую емкость одного канала). Полноскоростные каналы, по которым распределяется поток данных пользователя, на физическом и канальном (коррекция ошибок) уровнях обрабатываются независимо друг от друга. Однако во время выполнения таких операций, как хэндовер, «составной» канал, полученный в результате логического объединения n обычных каналов, управляется как одна радиолиния.

Аналогичные многослотовые схемы рассматриваются или уже стандартизованы и для других систем TDMA. В системах IS-54 и PDC, где радиоканал относительно узок, для одной несущей могут использоваться не более трех временных слотов, а следовательно, достижимая скорость передачи данных ограничивается пропускной способностью этого канала (в частности, для указанных систем выбрано значение 32 кбит/с). Напротив, в DECT-системах могут объединяться до 12 временных слотов по 32 кбит/с каждый; их теоретическая максимальная скорость передачи данных составляет 384 кбит/с. Более того, режим временного дуплекса DECT позволяет асимметрично распределять временные слоты между линиями к базовой станции и к абоненту, поэтому в одном из направлений достигаются еще большие скорости.

Коммутация пакетов. В настоящее время операторы и пользователи систем радиосвязи 2-го поколения заинтересованы в предоставлении услуг передачи трафика, объем которого является неравномерным во времени (например, это характерно для работы с Internet). Задача решается с помощью метода коммутации пакетов. В случае его применения доступные радиочастотные ресурсы используются более эффективно, поскольку по одному и тому же физическому каналу передается мультиплексированный поток данных от нескольких подвижных пользователей.

Так, в США объявлено о внедрении сотовой системы пакетной передачи данных (CDPD), являющейся расширением систем AMPS или D-AMPS (IS-54), которая позволяет передавать пакеты данных со скоростью до 19,2 кбит/с. Разработан также стандарт передачи данных с кодовым разделением каналов (IS-657), который совместим с CDPD- и Internet-протоколами.

В Европе рабочая группа ЕТSI завершила стандартизацию GPRS для GSM. Абонент GPRS сможет принимать и передавать данные в режиме коммутации пакетов. Стандарт GPRS предполагает реализацию сетей разных топологий («точка—точка», «точка—много точек»). Организация связи в системах GPRS такова, что, с одной стороны, обеспечивается передача информации одного подвижного абонента сразу в восьми временных слотах, а с другой, 16 пользователей могут работать в пределах одного временного слота (при этом существует возможность асимметричного распределения слотов между линиями «вниз» и «вверх»).

Схемы модуляции

Для различных стандартов радиосвязи 2-го поколения продолжают создаваться новые схемы модуляции, способные обеспечить более высокие скорости передачи данных (приближающиеся к значению 2 Мбит/с — величине, заявленной в проектах систем 3-го поколения). Многоуровневые схемы модуляции (несколько бит информации кодируются одним символом модулированного сигнала) представляют собой простейшее средство увеличения скорости передачи на несущую. Однако в случае их применения существенно меняются характеристики радиоканала, а увеличение скорости передачи требует от разработчиков аппаратуры обеспечения повышенного отношения уровня сигнала к уровню суммы шума и помех, которое невозможно реализовать в ячейках большого размера. Следовательно, новые высокоскоростные службы передачи данных в основном предназначены для городских районов, и эффективность распределения цифрового потока между пользователями будет зависеть от нагрузки на систему.

В настоящее время рассматривается новый стандарт радиоинтерфейса для GSM, получивший название EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Предлагаемая для него схема модуляции (8-PSK) и приемлемые схемы кодирования пока еще исследуются, тогда как другие основные параметры радиоканала (шаг сетки частот, структура кадра TDMA и др.) остаются неизменными. EDGE будет использовать протоколы HSCSD (для коммутации каналов) и GPRS (для коммутации пакетов), а соответственно, поддерживать передачу данных с коммутацией каналов и с коммутацией пакетов (причем скорость информационного потока в направлении к пользователю будет в три раза выше).

При своей явной привлекательности новая схема модуляции требует более высокого качества радиоканала: как правило, чувствительность приемника EDGE должна быть на 3—4 дБ ниже, чем, например, в GPRS, а отношение сигнал/помеха — на 6—7 дБ выше. Кроме того, накладываются ограничения на скорость передвижения мобильного абонента. Тем не менее, согласно оценкам, при внедрении EGPRS как минимум удвоится (по сравнению с GPRS) средний объем трафика (при той же средней мощности передатчика), а EDGE позволит еще больше увеличить максимально достижимую в системе GSM скорость передачи данных.

Пришло ли время?

Хорошенько осмыслив все перечисленные, но еще не реализованные возможности, наверное, стоит заново оценить необходимость «срочного» внедрения систем связи 3-го поколения. Конечно, интересы производителей (желающих продавать новые — более дорогие — устройства), операторов (которым предоставление услуг подвижного доступа в Internet и передачи мультимедиа-информации может принести миллиардные прибыли) и государственных учреждений (мечтающих серьезно пополнить казну за счет продажи лицензий) сильно отличаются от интересов пользователей, которые, в итоге, за все это должны заплатить. Но захотят ли?

Большинство систем 2-го поколения, появившихся в начале 90-х, продолжают расти и развиваться. Среди них наибольший интерес представляют системы, основанные на стандартах семейства GSM: менее чем за 10 лет их пользователями стали более 100 млн человек. Несмотря на более скромные показатели других систем 2-го поколения, каждая из них может похвастаться не одним миллионом абонентов.

Что же касается грядущего технологического переворота в сотовой связи и скорого появления сетей 3-го поколения, по-видимому, ожидания производителей и операторов не оправдаются. Пока для таких сетей нет ни реального оборудования, ни свободных частот, ни лицензий. Есть только теоретические изыскания и зыбкие прогнозы. Похоже, инженерная мысль несколько опережает реальные потребности даже европейских и американских абонентов. А если копнуть глубже, то за словами «3-е поколение — это принципиально иной набор услуг», пока ничего не стоит. Чем именно такой набор «принципиально» отличается от того, что мы уже имеем, никто объяснить не может.

Чтобы соответствовать развивающимся мировым стандартам на услуги связи, любая работающая система должна «осваивать» все новые и новые возможности. Многие требования к связи 3-го поколения уже реализованы в системах 2-го поколения. Отсюда-то и следуют два важных вывода, связанных с дальнейшей эволюцией мобильной радиосвязи.

Во-первых, согласно замыслу, сети связи 3-го поколения должны обеспечивать глобальное обслуживание. (Помните? Связь всем, везде, всегда, с любой точкой мира.) Подчеркнем: глобальность — основное свойство такой системы, а остальные достоинства, как уже было сказано, пока остаются гипотетическими. Но какие бы чудеса ни сулили апологеты 3G, глобальное использование новых систем может быть навязано абоненту тогда и только тогда, когда появятся гарантии реальных преимуществ этих систем перед существующими. Совместимость систем 3-го и 2-го поколений даже не подлежит обсуждению — это требование обязательное.

Во-вторых, очевидно, что возможности совершенствования систем 2-го поколения далеко не исчерпаны, поэтому торопиться с внедрением систем 3-го поколения (особенно в России) надо медленно. Воплощение таких систем, будь то UMTS или IMT-2000, вполне можно отложить до тех пор, пока не будут исчерпаны возможности эволюции систем 2-го поколения.

ОБ АВТОРЕ