За гранью ощущений

Часть 1

Пока медиумы интриговали ученый мир уверениями в том, что передача мыслей на расстояние (телепатия) возможна, наш ученый Александр Степанович Попов осуществил беспроводную связь на расстоянии c помощью электромагнитного поля. И вот спустя 100 с лишним лет мы можем наблюдать начало распространения третьего поколения сотовой связи. Согласно определению IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000), к поколению 3G относят сотовые сети, в рамках которых для неподвижных абонентов достигается скорость передачи данных 2 Мбит/с. В отличие от поколения 2G, которое разрабатывалось для передачи на расстояние голосовых сообщений, 3G позволяет не только слышать, но и видеть. Возможность передачи больших объемов информации с высокими скоростями позволяет организовать доступ к глобальному информационному пространству вне зависимости от местоположения и перемещения субъекта. В 1992 г. на Всемирной административной конференции по радиочастотам (WARC) Международного союза электросвязи (ITU) были определены несущие частоты в районе 2 ГГц для использования в сетях 3G.

Немного истории

Вторым по информативности органом чувств человека (после зрения) является слух. Эмоциональное воздействие мира звуков невозможно переоценить. Известно, что звук, в широком смысле слова, — это колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн (в узком смысле — явление, субъективно воспринимаемое органом слуха человека и животных). Число колебаний в секунду отображает частота. Человеческое ухо слышит в области так называемых звуковых частот, в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц. Природа очень аккуратно выбирала этот диапазон: если бы мы воспринимали звук начиная, например, с 1 Гц, то у нас в голове всегда стоял бы гул, при усилении ветра достигающий болевого предела.

Естественным кодом, с помощью которого осуществляется передача информации, является речь. Для того чтобы ее транслировать на большое расстояние, акустические методы не подходят, так как, во-первых, обязательно нужна среда (хотя бы воздух), во-вторых, скорость передачи звука в воздухе небольшая и даже ветер в состоянии изменить условия его распространения, а затухание сигнала довольно велико. На помощь приходят различные устройства, использующие электромагнитные волны, которые доносят информацию до необходимого места.

Как известно, для того, чтобы обычные звуковые волны стали радиосигналом и смогли переносить информацию на расстояние, их необходимо промодулировать, т.е. соответствующим образом изменить их параметры — амплитуду, фазу или частоту. Специфическим видом модуляции является кодирование, обработанный таким образом радиосигнал нельзя впрямую прослушать. Можно провести аналогию конверта с письмом — в данном случае конверт запечатывается. По выделенному каналу (определяемому обычно так называемой несущей частотой электромагнитного излучения) радиосигнал отправляется в эфир (помните, как искали эфир пару столетий назад Майкельсон, Морли и огромное количество других людей?). И тут мы встречаемся с принципиально разными способами формирования каналов в двух на сегодняшний день наиболее распространенных видах беспроводных сетей — GSM и CDMA.

В GSM разделение каналов происходит по времени, а в СDMA каналы разделяются посредством специального кодирования, т.е. сигналы, совпадающие по времени, линейно складываются, что позволяет каждой станции осуществлять их передачу постоянно. В настоящее время стандарт GSM получил большее распространение в мире, чем CDMA.

Схема коммутации каналов

GSM—GPRS—EDGE

GSM. Этот стандарт относится ко второму поколению сотовой связи; инженеры ориентировали его лишь на передачу голоса, используя в основном коммутацию каналов, т.е. предоставляя пользователю с момента установления соединения до момента его завершения определенный физический канал, состоящий из последовательно соединенных коммутаторами промежуточных канальных участков, в которых с одинаковой скоростью передаются данные. Плюсы и минусы такого соединения вполне очевидны: скорость передаваемых данных известна и постоянна, что теоретически позволяет качественно передавать данные в реальном времени, однако если какой-либо участок занят, то в соединении будет отказано. Наряду с этим невозможно динамическое перераспределение пропускной способности канала, а также происходит задержка при установлении соединения. Еще один минус — при выходе в Интернет приходится платить за время соединения, а не за количество полученной информации.

GPRS. Своеобразная надстройка над GSM — технология GPRS (ее относят к поколению 2,5G) позволила решить эти проблемы с помощью перехода к коммутации пакетов. Теперь при невозможности мгновенной передачи часть информации складируется в буферной памяти для временного хранения, что позволяет повысить пропускную способность каналов и динамически ее перераспределять между абонентами. Несомненным плюсом такого подхода стали возможность при выходе в Интернет платить за количество загруженной информации, а также (если позволяет оборудование оператора) одновременное установление голосового соединения и обмена данными. Минусы также очевидны. Скорость передачи данных не определена и зависит от загрузки сети, возможна потеря данных при переполнении буферов.

EDGE. В России большинство операторов работает в стандарте GSM, и на сегодняшний день тройка лидеров (МТС, «Билайн» и «МегаФон») постепенно переходит к более высоким скоростям обмена данными в сети за счет ввода стандарта EDGE, являющегося в свою очередь надстройкой над GPRS (т.е. его нельзя еще отнести к 3G). Считается, что скорость передачи данных, которая может быть достигнута в EDGE, достаточна для того, чтобы смотреть Интернет-ТВ, слушать радио, просматривать сайты. Воспользоваться услугами этого стандарта можно, купив либо поддерживающий его телефон, либо специальную карту для ПК. В областях, где EDGE доступен, телефон будет работать с более высокой скоростью, там, где пока еще нет оборудования, — как обычный GPRS.

Схема коммутации пакетов — каждый пакет обрабатывается отдельно

Технологические ухищрения

Максимальная пропускная способность в EDGE выросла по сравнению с GPRS в 3 раза. Технологически это достигается за счет изменения метода модуляции и использования адаптивной схемы кодирования. Поясним в двух словах. В EDGE информация, так же как и в GPRS, передается в течение равных временных отрезков, они называются тайм-слоты. Эти тайм-слоты затем распределяются между каналами на прием и передачу, но пиковая скорость передачи в GPRS всего 9,6 кбит/с, а в EDGE — 48 кбит/с. (Не путайте эти цифры с пиковой пропускной способностью, так как каждое устройство работает с несколькими каналами.) Ускорение обусловлено тем, что при модуляции в EDGE между символами осуществляется меньший сдвиг фазы, поэтому появляется возможность вместо одного бита информации закодировать три. Под адаптивной схемой подразумевается использование различных алгоритмов кодирования для обеспечения коррекции ошибок в зависимости от качества связи. Всего в EDGE предусмотрено девять схем кодирования, из которых четыре — те же, что в GPRS, остальные также используют вид модуляции 8PSK (Phase Shift Keyring). Как это работает? Чем хуже условия приема (ниже отношение сигнал/шум), тем больше закладывается избыточной информации в каждый кодируемый пакет (соответственно скорость передачи данных уменьшается). Избыточная информация накапливается в приемнике и дает возможность правильного декодирования поврежденных пакетов вместо их повторной отправки. При малом значении отношения сигнал/шум предусматривается процедура наложения для группы пакетов на разных несущих, в каждой из которых условия (прежде всего зашумленность) могут быть разными. При изменении фазы несущей частоты EDGE получает трехбитовое слово, что позволяет избежать повторной отправки всего блока в случае ошибки. В GPRS некорректно принятый пакет отправляется вновь. В EDGE его можно ретранслировать заново с использованием пониженной кодированной схемы (подробнее см. «Мир ПК», №2/05, с. 84).

Этот стандарт получил широкое распространение, поскольку для его внедрения необходима лишь модернизация базовых станций, установление трансиверов, поддерживающих 8PSK-модуляцию и обновление ПО, а со стороны пользователя — телефоны, обеспечивающие аппаратную и программную поддержку модуляции и кодовых систем. Процесс менее трудоемкий и более дешевый по сравнению с внедрением следующего поколения сетей. Опять же не надо приобретать лицензию на новый частотный диапазон. Все это позволило некоторым западноевропейским операторам, планировавшим сразу перейти к сетям 3G, вначале внедрить EDGE как переходный стандарт.

В России первая коммерческая сеть EDGE была запущена компанией «Билайн» в декабре 2004 г. в Вологодской области. В начале 2005 г. «МегаФон» открыл доступ к этой услуге москвичам. GSM-операторы планируют на базе «промежуточных» технологий осуществлять постепенный переход к сетям третьего поколения.

Путь CDMA: от IS-95 к cdma2000

Принципиально другой метод формирования каналов применен в CDMA. Основная идея — переход от узкополосного сигнала к широкополосному спектру, что позволяет повысить помехоустойчивость передаваемых данных. Фактически в исходный сигнал добавляют избыточность посредством встраивания в каждый информационный бит определенного кода, состоящего из последовательности квазислучайных битов. В результате спектр сигнала значительно расширяется и становится шумоподобным, т.е. трудноотличимым от естественного шума, при этом его спектральная плотность энергии уменьшается. При обратном преобразовании в приемнике сигнал вновь становится узкополосным. Увеличение помехоустойчивости достигается за счет того, что при обратном преобразовании в приемнике помеха на отдельной частоте даст меньшее влияние, чем при попадании в спектр узкополосного сигнала.

Для кодирования речи необходимо обеспечить интерактивную связь в режиме реального времени, для которой задержка не должна превышать некоторую субъективную величину, зависящую от нашего восприятия. В CDMA используются четыре вида кодирования: сверточное для кодирования речевых сигналов, каскадное и турбокодирование — для данных, специальное — для специальных сигналов.

Считается, что встроенная система кодирования обеспечивает высокую степень защиты передаваемой информации от несанкционированного доступа, стоимость оборудования для прослушивания такой связи очень высока, плюс к этому прослушивающий должен находиться в непосредственной близости, поскольку даже при незначительном удалении от базовой станции мощность излучения телефона становится низкой. Для того чтобы телефон, находящийся близко к базовой станции, не заглушал своими сигналами более отдаленных абонентов, в CDMA предусмотрена плавная регулировка мощности, заодно сокращается энергопотребление телефона вблизи базовой станции, а значит, увеличивается время автономной работы.

Передаваемая информация подвергается скремблированию. Для того чтобы уменьшить вероятность замирания сигнала или возникновения ошибок, используется перемежение: в кодированной последовательности до ее модуляции изменяется порядок следования символов и битов, так чтобы рядом стоящие символы оказались разделены группой других, передаваемых в том же блоке данных. Каждый логический канал в этой технологии отображается на физический индивидуальным образом. Его уникальность выражается в функциональных возможностях, скорости, типе используемого кода и его параметрах.

CDMA получил наибольшее распространение в Северной и Южной Америке и Юго-Восточной Азии. Российский CDMA-оператор продвигает свои услуги под брендом «СкайЛинк». Необходимо отметить, что в отличие от GSM у этого стандарта ограниченный роуминг и меньший выбор телефонов. Еще одна сложность состоит в том, что не всегда возможно использование широкой и неразрывной полосы, необходимой для этого вида связи. (Тестирование этого сервиса см. в «Мире ПК» №7/06, с. 88.)

Архитектура CDMA состоит из трех уровней: физического, канального и сетевого. На физическом уровне реализуются все функции, связанные с непосредственным доступом к радиоканалу и обработкой сигнала. Канальный уровень представляет собой транспортную среду между физическим уровнем и сетевым, с учетом требований к достоверности, качеству обслуживания и времени ожидания. На этом уровне создается множество логических каналов, которые функционируют с различными показателями качества сервиса, причем физический канал может подстраиваться под требуемые режимы обслуживания. Основная задача сетевого уровня — формирование потоков данных от пользователя, а также служебных сообщений.

Для поддержки голосовых сервисов с кодовым мультиплексированием был разработан стандарт IS-95A. Его главная задача состояла в обеспечении низкой задержки и постоянной скорости передачи для предоставления всем пользователям одинакового качества обслуживания. Аналогом GPRS в CDMA можно считать стандарт IS-95B, который впервые был запущен в коммерческую сеть в 1999 г. в Корее. С самого начала существования семейства этих стандартов в них закладывался принцип пакетной передачи данных. Переход абонентского термина от одной станции к другой с возможностью взаимодействия одновременно с несколькими базовыми станциями был реализован в IS-95 с помощью механизма hand-off изначально (в отличие от GSM). Hand-off наиболее эффективен в условиях плотных застроек с перекрывающимися зонами обслуживания соседних базовых станций. Теоретически CDMA по сравнению с GSM позволяет обслуживать большее число абонентов в определенной полосе частот.

Для передачи информации в режиме реального времени в стандарте IS-95 используется синхронизация по времени, идущая, как правило, через GPS (Global Position System). Основное отличие между сетями стандарта IS-95B и IS-95А состоит в возможности объединения в IS-95B нескольких каналов трафика для одного пользователя с целью увеличения пиковой скорости передачи данных. Большинство операторов сетей IS-95A решило пропустить этап IS-95B и перейти сразу к первой фазе стандарта третьего поколения — стандарту cdma2000 1X (1Х соответствует ширине частотного диапазона 1,25 МГц, которая является базовой для CDMA). Голосовая емкость в cdma2000 1X была увеличена посредством изменения метода модуляции сигнала, применения более помехоустойчивого кодирования и улучшения алгоритма контроля мощности за счет выбора меньшего коэффициента сжатия сигнала для пользователей, находящихся в данный момент в благоприятных условиях (высокое значение отношения сигнал/шум), пиковая скорость передачи данных была повышена до 153,6 кбит/c.

Стандарты семейства сdma2000 не требуют организации отдельной полосы частот и в ходе их эволюционного развития от IS-95 (или cdmaOne) могут быть реализованы во всех частотных диапазонах, используемых системами сотовой связи. Стандарты IS-95 и cdma2000 1X обладают прямой и обратной совместимостью, т.е. телефоны, работающие в сетях IS-95, будут работать и в cdma2000 1X, только с меньшей скоростью. Возможность эта реализуется благодаря тому, что ширина несущей всех стандартов одинакова (1,25 МГц). Сети cdma могут быть наложены и на инфраструктуру GSM-MAP.

На этом мы закончим обзор сетей второго поколения и в следующем номере расскажем о технологиях 3G.