За гранью ощущений

Часть 2

Поколение 3G

. Для повышения быстродействия сетей наибольшее распространение получили два способа: использование полосы частот увеличенной ширины (стандарт WCDMA) и одновременное задействование большего количества частотных каналов (cdma2000).

Группой 3GPP (Third Generation Partnership Project — проект партнерства в области сетей третьего поколения) был разработан стандарт UMTS специально для высокоскоростной передачи данных через сеть подвижной связи с соблюдением принципа преемственности второго и третьего поколения. Стандарт включает в себя усовершенствованную базу GSM, что позволяет использовать глобальный роуминг и широкополосный многостанционный доступ с кодовым разделением WCDMA. В обоих стандартах CDMA поколения 3G схемы сверточных кодов практически унифицированы, однако характеристики турбокодов для них (cdma2000 и WCDMA/ UMTS) различаются.

Что касается распространения, то WCDMA применяется в Европе и Азии, включая Японию и Корею. В Северной Америке частота 2 ГГц уже была отдана операторам, поэтому там переход от 2G к 3G должен осуществляться путем высвобождения части спектра.

cdma2000 1X

В результате расширения стандарта cdma2000 1X появился cdma2000 1X EvDO (Evolution — эволюция, Data Only — только данные), радиоинтерфейс которого разделен по частотным каналам для передачи голоса и данных. Как правило, объем информации, передаваемой по нисходящему каналу, значительно превышает объем информации в восходящем канале, поэтому при разработке EvDO на логическом уровне были организованы отдельно прямой и обратный каналы.

Технические особенности. Для приложений реального времени (например, VoIP) используется кодовое мультиплексирование. Для пакетных приложений, не требующих каких-либо гарантий по задержке и скорости передачи данных, реализуется механизм временного мультиплексирования, основанный на учете вероятностного характера распространения сигнала для трафика. Такой подход позволяет динамически перераспределять общий сетевой ресурс между абонентами в зависимости от спроса на различные услуги. Приоритет получает тот трафик, который передается в режиме реального времени, а доля мощности, выделенной для всех оставшихся соединений, уменьшается. Возможно объединение нескольких подканалов с одинаковым уровнем качества сервиса с присвоением им физического радиоканала.

Скорость передачи данных варьируется в зависимости от условий, в которых находится приемник, — он каждые 1,67 мс измеряет соотношение сигнал/шум. Естественно, что максимальная скорость достигается, когда приемник находится в наилучших условиях. Кроме того, скорость зависит от расстояния между абонентом и базовой станцией, а также от соотношения сигнал/шум. Длительность одного пакета в прямом канале 26,67 мс, в зависимости от скорости передачи данных он может занимать от 1 до 16 тайм-слотов (что это такое, объяснено в первой части статьи). Прямое исправление ошибок происходит по принципу «остановиться и ждать» (Stop and Wait, SAW): абонентский терминал после получения пакета проводит проверку его целостности, затем передает сигнал о его успешном прохождении и лишь затем отправляется следующий пакет. В обратном канале используется доступ с множественным разделением каналов, когда одна несущая частота делится между всеми обслуживаемыми абонентами, максимальное число которых составляет 59.

Скоростные перспективы. Все вышесказанное позволяет добиться скоростей передачи в 2,4 Мбит/с в прямом и 307 кбит/с в обратном каналах, а также увеличить спектральную эффективность при передаче данных примерно в 6 раз по сравнению с cdmaOne. Сети cdma2000 1Х позволяют предоставлять высокоскоростной доступ в Интернет, их эволюция предполагает внедрение целого ряда встроенных механизмов, дающих оператору возможность предоставления мультимедийных услуг в режиме реального времени. Изменения в организации обратного канала по стандарту EvDO Revision A должны увеличить скорость в нем до 1,8 Мбит/с.

Следующая фаза развития этого стандарта — cdma2000 1Х EV-DV (Data and Voice — данные и голос) позволяет осуществить передачу данных со скоростью до 5 Мбит/с. При его внедрении абонентам предоставляется уже целый спектр мультимедийных услуг. Версия стандарта cdma2000 EvDO Revision B предусматривает многопоточную передачу данных на скоростях до 73,5 Мбит/с в прямом и до 27 Мбит/с в обратном каналах. Многопоточная передача данных по широкому частотному диапазону может осуществляться с использованием нескольких свободных каналов, объединенных вместе, — тогда они образуют один сверхбыстрый канал.

Стандарт cdma2000 1X в перспективе эволюционирует в cdma2000 3X, где 3Х обозначает использование трех каналов 1Х (шириной 1,25 МГц каждый).

Реальное применение. Сети на базе cdma 1Х впервые в мире созданы в Австралии и Южной Корее. Что касается России, то читателям «Мира ПК» уже известно, что компания «Скай Линк» реализует проект по созданию единой федеральной сети cdma2000, а в декабре прошлого года она объявила о вводе в коммерческую эксплуатацию услуги Sky Turbo, действующей на базе технологии EvDO.

WCDMA/UMTS

Как уже отмечалось выше, стандартом 3G для Европы стала UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) — универсальная мобильная телекоммуникационная система, которая позволяет организовать полное взаимодействие с системами GSM и модификациями этого стандарта (GPRS и др). То есть в новой сети без проблем будут функционировать телефоны предыдущего поколения.

Европейский подход. В сетях UMTS возможно согласование характеристик радиоканала доступа как переносчика информации. Этими характеристиками могут служить пропускная способность, задержка при передаче и вероятность появления ошибок в данных. В соответствии с требованиями оператора реализуется компромисс между пропускной способностью, зоной охвата и качеством речи. При большой загрузке можно использовать более высокие скорости передачи для повышения пропускной способности за счет некоторого снижения качества речи, меньшая скорость способствует расширению зоны охвата. Пакеты могут передаваться как в режиме реального времени, так и с отсрочкой. Несколько элементов сети одного и того же типа могут работать самостоятельно либо вместе с другими тождественными друг другу, образуя, таким образом, модульную структуру сети. В сетях UMTS при передвижении со скоростью до 10 км/час осуществляется передача данных с быстродействием до 2 Мбит/с, при разгоне до 120 км/час оно снижается до 384 кбит/с.

Ключевой технологией UMTS стал WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access — широкополосный CDMA), использующий расширенную полосу пропускания и оптимизированный для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг. Ширина полосы пропускания WCDMA — 5 МГц (для сравнения: у CDMA — 1 МГц); для передачи музыки Hi-Fi-класса считается достаточной ширина полосы пропускания 20 кГц. Технология поддерживает работу с асинхронными базовыми станциями (в отличие от IS-95, которым для синхронизации требуется GPS) и использует иной, чем IS-95, механизм эстафетной передачи (hand-off). Теоретически на одной полосе пропускания можно обслуживать в 8 раз большее по сравнению с CDMA количество абонентов. (Напомним, что про IS-95 мы рассказывали в предыдущей части.) Изначально технология асинхронной передачи разрабатывалась для совмещения синхронного голосового и асинхронного компьютерного трафика в рамках одной территориальной сети. Сейчас синхронный трафик предназначен не только для голоса, но и для работы в реальном времени с другими типами передаваемой информации.

Технические особенности. Данные передаются по выделенным транспортным каналам с фиксированной пропускной способностью. Каждому пользователю выделяется фрейм длительностью 10 мс, в течение которого скорость передачи данных остается постоянной. От фрейма к фрейму пропускная способность канала может меняться. Большая ширина полосы пропускания позволяет мультиплексировать несколько услуг в одном соединении. Качество соединения обеспечивается с помощью так называемого быстрого регулирования мощности. Излучается лишь требуемая мощность, которая при необходимости адаптируется к окружающим условиям практически без задержки по времени. Полосы могут быть поделены на подканалы: низкочастотные — для передачи голосового трафика и высокочастотные — для передачи видео и осуществления доступа в Интернет.

Рис. 1. Коммуникатор FSC LOOX T830 поддерживает сети UMTS

HSDPA

Качество связи оценивается по следующим параметрам: уровень искажения звука, частота пропадания голосовых пакетов, время задержки между произнесенной фразой и моментом, когда она будет услышана вторым абонентом. Видеотелефония предъявляет к задержке по времени почти те же требования, что и речевой трафик, но из-за того, что данные передаются в сжатом виде, повышаются запросы к надежности системы. В WCDMA/UMTS при погрешности менее 5% производится простая замена пакета предыдущим успешно принятым, при большем значении возникает необходимость в использовании избыточной информации — вместе со следующим пакетом досылается предыдущий.

Модуляция в восходящем сигнале строится таким образом, чтобы при минимальных прослушивающихся помехах достигалась максимальная эффективность при передаче от терминала к терминалу. Для этого используется квадратурная фазовая модуляция и квадратурная фазовая модуляция со сдвигом.

В рамках 3GPP к концу 2002 г. были разработаны основные функции технологии HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access, высокоскоростная пакетная передача данных), призванной повысить производительность сетей UMTS. Пропускная способность благодаря HSDPA существенно увеличивается (пиковая скорость передачи данных на первом этапе достигает 14,4 Мбит/с), а время задержки уменьшается. К достоинствам этой технологии стоит отнести и снижение себестоимости передачи в расчете на 1 бит. Эволюционное повышение производительности сетей UMTS (по аналогии с EDGE и GSM) хорошо адаптировано к условиям города и закрытых помещений.

Технологические особенности. Технология основана на добавлении высокоскоростного нисходящего разделяемого канала (High-Speed Downlink Shared Channel, HS-DSCH) при использовании адаптивных схем модуляции и кодирования с протоколом ретрансляции HARQ (Hybrid Automatic Repeat Request) и перераспределением в планировании пакетов.

HS-DSCH позволяет обслуживать различных пользователей, осуществляя мультиплексирование с временным и кодовым разделением. На физическом уровне передачи данных каждый канал делится на 16 подканалов. В идеальном случае по 15 из них передается информация пользователей, а по 16-му транслируются служебные данные. К сожалению, на данном этапе — без использования соответствующих приемников — реализация преимущества HS-DSCH пока трудно осуществима из-за возникающих помех, но в планах разработчиков на 2008 г. — внедрение новых типов клиентских терминалов, которые должны решить эту проблему. Помимо этого на физическом уровне задействуются три типа каналов: для передачи сигнальной информации нисходящий канал управления (High-Speed Shared Control Channel, HS-SCCH) и восходящий физический канал управления (High-Speed Dedicated Physical Control Channel, HS-DPCCH), третий — для передачи пакетированных данных (High-Speed Physical Downlink Shared Channel, HS-PDSCH).

Управляющая информация о параметрах модуляции, схемах используемых кодов, кодах каналов и HARQ передается по HS-SCCH. В отличие от WCDMA, использующего адаптацию мощности, HSDPA адаптирует форматы модуляции, что позволяет заметно повысить скорость передачи данных. Смена форматов модуляции и методов кодирования происходит в реальном времени. Совместно с квадратурной фазовой модуляцией со сдвигом (QPSK) применяется квадратурная амплитудная модуляция (16 QAM). Адаптация осуществляется с помощью CQI-данных о качестве соединения, отправляющихся в виде файлов через равные промежутки времени. При снижении качества соединения или изменении требуемой скорости передачи данных меняется схема модуляции.

Рис. 2. Palm Treo 700w поддерживает EvDO

Протоколы ретрансляции HARQ отвечают за надежность доставки информации, которая передается по нескольким различным временным каналам. Добавление в название слова Hybrid обозначает, что они помимо «прямых обязанностей» обеспечивают еще и непосредственное исправление ошибок, т.е. по каждому каналу блок данных будет передаваться до тех пор, пока не окажется расшифрован верно. В HSDPA также используется принцип SAW: после отсылки блока данных происходит остановка для подтверждения того, что блок дошел; если в течение 12 мс такого подтверждения отправитель не получает, блок отправляется вновь. Некодированные блоки данных первичной передачи сохраняются в промежуточной памяти и комбинируются с повторной передачей либо в тождественном виде, либо с добавлением дополнительных битов четности из кода канала в зависимости от возможностей мобильного устройства.

Оперативное распределение очередности передачи пакетов происходит в HSDPA на базовой станции (раньше это была функция контроллера радиосети), что заметно сокращает время задержки в случае инициализации передачи и обеспечивает более быструю доставку пакетов данных, одновременно разгружая воздушный интерфейс.

Поэтапный план. 3GPP предусматривает внедрение HSDPA в несколько этапов. На первом (базовом) предполагается ввести HS-DSCH с тремя описанными выше вспомогательными физическими каналами, адаптивной схемой модуляции и согласованием скоростей, с управлением доступом к совместно используемой среде передачи на базовой станции. Шестая версия 3GPP регламентирует внедрение технологий обработки сигналов направленных антенн, которые должны увеличить пиковую скорость до 30 Мбит/с.

Внедрение этой технологии компанией Ericsson уже произошло в Германии в сети Vodafone. В начале 2006 г. корпорация Nokia продемонстрировала свою первую промышленную версию, позволяющую переходить с HSDPA на EDGE и обратно без разрыва соединения. Во время испытания в сетях HSDPA наблюдалось устойчивое соединение на скорости 1,6 Мбит/с.

WiMax (WiBro)

Совершенно неожиданно из беспроводных сетей дальнего радиуса действия (подробнее о них см. в «Мире ПК», №1/05) родился еще один стандарт широкополосной передачи данных WiMax. Действительно, какая разница безликим битам, что передавать — файлы или голосовой трафик. И пожалуйста, в октябре 2005 г. утвержден стандарт MobileWiMax, относящийся к семейству стандартов WiMax, а уже в январе 2007 г. фирма Intel планирует выпустить серию микросхем, встраиваемых в портативные ПК и поддерживающих эту технологию. Наиболее представительный сторонник нового стандарта — корейская компания Samsung ввела фирменное название WiBro для технологий связи на основе WiMax. С апреля текущего года в Корее функционирует первая коммерческая сеть на основе этого стандарта, а в Европе действовали временные сети — на конгрессе 3GSM и на Олимпиаде в Турине.

Рис. 3. Samsung создает новый протокол сотовой связи и аппараты для него

Технические особенности. Теоретически эта технология позволяет достигать скорости передачи данных в 70 Мбит/с в диапазоне рабочих частот от 2 до 11 ГГц. Однако, по данным аналитиков, сейчас около 40% устройств ориентировано на 3,5 ГГц, чуть меньше — на 5 ГГц и лишь незначительная их часть может использовать всю полосу передачи данных. Например, корейский стандарт предусматривает использование диапазона частот в районе 2,3 ГГц при ширине радиоканала 9 МГц. В России для существующего WiMAX-оборудования доступным является только диапазон 5,725—5,850 ГГц, однако он не совпадает с теми, что распространены в мире, поэтому при внедрении этого стандарта могут возникнуть трудности с оборудованием.

Механизм модуляции и способ разделения каналов основан на методе множественного доступа посредством разделения ортогональных несущих WirelessMAN-OFDMA (опять-таки подробнее см. в «Мире ПК», №1/05). Большое количество несущих частот позволяет организовывать достаточное число подканалов для организации работы в сети (подканал — это набор несущих частот). Пакеты данных могут передаваться одновременно на различных OFDMA-подканалах. Фиксированный набор несущих, распределенных, как правило, по всему доступному диапазону частот физического канала, образует логический OFDMA-канал. В стандарте оговаривается, что ширина физического канала должна быть не менее 1 МГц. Схемы модуляции — QPSK и 16-QAM.

Последовательность OFDMA-символов составляет кадр. Структура кадров предусматривает подразделение на восходящие и нисходящие субкадры (как временное, так и частотное), их длительность может составлять 2; 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 и 20 мс. В пределах одного субкадра возможно использование различных механизмов распределения несущих по подканалам, кадры могут объединяться в суперкадр длительностью не менее 20 обычных кадров. В суперкадр входит по крайней мере один широковещательный кадр, содержащий дескрипторы и карты DL/UL-каналов. Цель такого объединения — обеспечить минимум управляющих сообщений для группы кадров.

За и против. Сложность в распространении WiMAX заключается в том, что необходимо строить дополнительную инфраструктуру, тогда как для построения HSDPA можно использовать уже существующие сотовые сети стандарта WCDMA. Однако за протоколом WiMax стоит такая мощная корпорация, как Samsung, а кроме того, не менее сильная Intel и множество организаций, которые его разработали. Они кровно заинтересованы в том, чтобы созданные ими в ближайшее время устройства могли бы соединяться друг с другом и выходить в Интернет не просто через точки доступа, как это происходит сейчас с Wi-Fi-оборудованием, но и в любом уголке планеты, покрытой сетью сотовой связи нового типа.

О будущем...

Итак, из средства общения мобильный телефон уже превратился в многофункциональное устройство, с помощью которого можно скачать мелодию, передать фото и т.д. А дальше — больше: телефон сможет при малейших признаках вашего нездоровья сам связаться с лечащим врачом или вызвать скорую помощь, обеспечить перевод с одного языка на другой в режиме реального времени, позволит вам провести банковские операции, не выходя из машины, например стоя в пробке, и многое другое — нет предела совершенству! Будут возрастать скорости передачи данных, а вместе с ними и возможности этих портативных устройств. По мнению аналитиков, распространение сетей следующего поколения начнется с Японии и Азии.

Однако необходимо учитывать, что в силу специфики работы телефонов сотовой связи создаваемое ими электромагнитное поле особенно сильно в моменты поиска телефоном ближайшей базовой станции, вызова абонента и приема входящих звонков. По данным исследований, антенна сотового телефона, находящегося внутри металлического корпуса автомобиля, многократно увеличивает уровень электромагнитной составляющей внутри салона. Внешние электромагнитные поля оказывают значительное влияние на жизнедеятельность человеческого организма, длительное воздействие излучений вызывает снижение иммунитета и другие расстройства. Поэтому давайте организму передышку и чаще встречайтесь!

Окончание. Начало см. в №9/06.

Термины, употребляемые в данной статье

Нисходящий канал — канал от базовой станции к подвижной.

Восходящий канал — от подвижной станции к базовой.

Квадратурная фазовая модуляция (QPSK). При фазовой модуляции для передачи логических нулей и единиц используют сигналы одной и той же частоты и амплитуды, но смещенные относительно друг друга по фазе. Если изменение фазы имеет четыре значения (0?, 90?, 180? и 270?), то говорят о квадратурной фазовой модуляции. Для этого исходный сигнал представляется в виде суммы двух гармонических составляющих, смещенных друг относительно друга по фазе на 90?. Одним из недостатков такой модуляции является скачок фазы на 180? при одновременной смене символов в обоих каналах модулятора. Для того чтобы этого избежать, прибегают к Квадратурной фазовой модуляции со сдвигом (QPSK), кодируемые биты в такой модуляции имеют временную задержку на длительность одного элемента.

Квадратурная амплитудная модуляция изменяет как фазу, так и амплитуду несущего сигнала, что позволяет увеличить количество кодируемых в единицу времени бит и при этом существенно повысить помехоустойчивость их передачи по каналу связи.

Пиковые скорости стандартов сотовой связи