Бескрайний мир беспроводной связи

Международный рынок беспроводной связи изобилует множеством систем и стандартов — от AMPS до IMT-2000.

Любая дискуссия о беспроводной связи неизбежно оказывается пересыпана множеством акронимов. Наряду с Advanced Mobile Phone Service (AMPS), Frequency Division Multiple Access (FDMA), Code Division Multiple Access (CDMA) и Global System for Mobile Communications (GSM), это еще и cdmaOne, IS-95 и конечно же International Mobile Telecommunications Year 2000 Initiative (IMT-2000).

Самый простой способ разобраться в том, что все эти акронимы означают — вернуться назад, к истокам отрасли беспроводной связи, и посмотреть, как данная технология эволюционировала с течением времени. Знакомясь с историей отрасли, вы заодно легко усвоите значения этих терминов.

ВНАЧАЛЕ БЫЛО...

В 1970-х гг. в Bell Telephone Laboratories разработали первую беспроводную систему передачи сигнала для обслуживания мобильных абонентов. Получившаяся коммерческая система состояла из трех основных компонентов — сотовых телефонов, базовых станций и коммутационного узла (Mobile Telephone Switching Office, MTSO).

Несмотря на все значительные технические достижения последней четверти века, базовые компоненты сотовой системы остались теми же. Кроме того, базовая концепция, лежащая в основе сотовой связи, также не претерпела изменений. Эта концепция предусматривает разделение обслуживаемой области на географические зоны, называемые «сотами».

AMPS

Изобретенная в Bell Laboratories аналоговая сотовая телефонная связь использовала FDMA. Эта система предусматривала распределение частотного диапазона от 800 до 900 МГц (также называемого 800-мегагерцовым диапазоном) между сотовыми операторами с последующим разделением его на каналы шириной 25 кГц. Эта аналоговая телефонная система известна также как AMPS.

В AMPS для обеспечения множественного доступа каждая сота делится по частоте на различные каналы. В каждый момент времени в пределах конкретной соты один канал может занимать только один абонент. Канал остается занятым, пока мобильный абонент не достигнет пункта, в котором мощность сигнала опускается ниже предопределенного уровня. В этот момент обслуживающая абонента базовая станция информирует MTSO о том, что абонент выходит за границы соты. MTSO передает звонок антенне базовой станции в той соте, куда направляется абонент.

Рисунок 1. Диаграмма иллюстрирует три метода разделения ресурсов сотовой сети.

Передача происходит на канале с иной частотой. Это снижает вероятность интерференции между соседними сотами. Однако ограниченный диапазон частот, выделенный AMPS, использование каналов шириной 25 кГц и требование поддержки одних и тех же частот в соседних сотах ограничивают число одновременных звонков, которые сота может обслужить. Концепцию FDMA, согласно которой диалог между абонентами происходит на предопределенной частоте выделенного канала, иллюстрирует Рисунок 1а.

В настоящее время AMPS имеет наибольшее покрытие территории США среди всех беспроводных стандартов. Это во многом связано с политикой FCC по предоставлению лицензий проводным и беспроводным операторам на обслуживание основных мегаполисов. В случае чрезвычайной необходимости AMPS может использоваться и для передачи данных. Однако успех убивает эту несущую золотые яйца курицу. С увеличением числа пользователей, приобретающих сотовые телефоны с годичным контрактом на обслуживание, абоненты все чаще начинают сталкиваться с блокированием вызовов, т е. попросту они никому не могут позвонить. Кроме того, когда у соты недостает емкости для выделения канала прибывающему мобильному пользователю, некоторые пользователи сталкиваются с прерыванием звонков при перемещении из одной соты в другую.

Видя, что аналоговые сотовые системы с фиксированными сотами не в состоянии обслуживать растущую базу абонентов, разработчики сотовых технологий после исследования различных методов доступа предложили две новые системы: Time Division Multiple Access (TDMA) и CDMA.

TDMA

TDMA предусматривает деление радиоканалов на временные интервалы, каждый длительностью малую долю секунды. Каждый из временных интервалов распределяется затем между восемью абонентами, что существенно увеличивает емкость соты. На Рисунке 1б показано, как два диалога, занимающие два отдельных канала в случае FDMA, сосуществуют на одном канале в случае TDMA.

Сотовые системы на базе TDMA работают в Северной Америке в диапазонах 800 или 1900 МГц и называются цифровой сотовой или персональной службой связи (Personal Communications Services, PCS). Цифровые сотовые системы работают на частоте 800 МГц, а североамериканские системы PCS — на частоте 1900 МГц. Вследствие того, что системы PCS функционируют на более высоких частотах, а длина волны обратно пропорциональна частоте, их длина волны оказывается короче. Чем меньше длина волны, тем, соответственно, меньше диаметр соты, а это означает, что 1900-мегагерцовым системам требуется больше сот для покрытия одной и той же географической области, чем 800-мегагерцовым системам.

TDMA обычно сосуществует с аналоговыми каналами в той же сети, благодаря чему абоненты могут продолжать пользоваться широким покрытием аналоговой сети, между тем как покрытие TDMA продолжает расти. Конечно, чтобы можно было воспользоваться этими преимуществами, сотовый телефон должен поддерживать оба режима.

TDMA называется также Digital-AMPS (D-AMPS) и North America TDMA (NA-TDMA). Еще больше увеличивают путаницу периодически встречающиеся термины IS-54 и IS-136, также относящиеся к TDMA. IS-54 была первой стандартизованной TIA реализацией TDMA.

Предложенная сотовая версия TDMA «следующего поколения» получила обозначение IS-136. Эта технология обеспечивает передачу данных со скоростью до 43,2 Кбит/с. Кроме того, она может эволюционировать в систему третьего поколения (3G) с поддержкой скоростей передачи до 384 Кбит/с для мобильных пользователей и до 2 Мбит/с для неподвижных пользователей. Системы 3G мы обсудим ниже.

CDMA

CDMA — еще один применяемый сотовыми операторами метод множественного доступа. В Северной Америке CDMA базируется на стандарте IS-95, разработанном Qualcomm. Вместо создания временных интервалов или деления радиочастотного спектра на отдельные каналы по частоте CDMA использует передачу в размытом спектре для получения радиоканалов приблизительно в шесть раз шире, чем в случае TDMA и AMPS. Система CDMA выделяет активным абонентам цифровые коды. Это позволяет распределять фрагменты диалога внутри канала по частоте и времени, как показано на Рисунке 1в.

Чтобы достаточный для адекватного воспроизведения объем информации гарантированно достиг адресата, каждый небольшой фрагмент речи повторяется несколько раз. Хотя из-за интерференции отдельные экземпляры могут оказаться потеряны, все же обычно получателя достигает достаточное их число для обеспечения нормального приема сигнала.

Стандарт IS-95 был принят TIA в качестве цифрового сотового стандарта в 1992 году. Со времени его принятия число абонентов CDMA многократно возросло и сейчас составляет свыше 30 млн человек. CDMA внедряется в 35 странах и в 27 странах уже находится в коммерческом использовании. В Северной Америке сейчас насчитывается около 10 млн абонентов, а в Азиатско-Тихоокеанском регионе — около 20 млн. Кроме того, CDMA используется на Карибских островах, в Латинской Америке, Европе, на Ближнем Востоке и в Африке.

Одно из преимуществ CDMA состоит в возможности расширения емкости системы. CDMA может обеспечить приблизительно в 10—20 раз большую емкость, чем AMPS, и в 4—6 раз большую емкость, чем TDMA. В отличие от аналоговых и цифровых систем, передача обслуживания абонента между сотами осуществляется более гладко, так как система CDMA позволяет абоненту взаимодействовать с несколькими сотами.

Как и TDMA, CDMA работает в диапазонах частот 800 и 1900 МГц. Цифровые сотовые системы используют диапазон 800 МГц, в то время как системы PCS — диапазон 1900 МГц. Среди североамериканских операторов, использующих CDMA, можно назвать AirTouch, Bell Atlantic, GTE и Sprint. Английская Vodafone Group недавно приобрела AirTouch, в результате образовалась гигантская компания, действующая в Соединенных Штатах и на большей части территории Европы.

В сентябре 1999 года British Telecommunications (BT) и AT&T объявили о создании альянса для маркетинга всемирной мобильной телефонной службы, возможно, в целях конкуренции с Vodafone Group. Хотя альянс между BT и AT&T ориентируется прежде всего на тех, кто хотел бы пользоваться своими телефонами в любой точке мира, в ближайший год вопрос совместимости будет решаться за счет предложения абонентам пакета из двух телефонов. Один телефон абонент будет использовать у себя дома, а другой — брать с собой через Атлантику. По информации из BT, универсальный телефон должен появиться через год-полтора.

CDPD

Cellular Digital Packet Data (CDPD), обычно именуемая беспроводным IP, реализуется поверх существующей цифровой сотовой сети оператора связи. Базирующаяся на TCP/IP, CDPD обеспечивает мобильным пользователям доступ в Internet со скоростями до 19,2 Кбит/с.

Спецификация CDPD использует прямое исправление ошибок по методу Рида-Соломона. Кроме того, протоколы CDPD предусматривают автоматическое обнаружение и исправление ошибок, так что поврежденные пакеты либо исправляются по методу Рида-Соломона, либо передаются повторно. По утверждению AT&T, это обеспечивает наибольшую среди имеющихся в настоящее время беспроводных технологий точность передачи данных. Кроме того, CDPD поддерживает шифрование и аутентификацию.

Сеть CDPD в настоящее время охватывает приблизительно 75% деловых центров, поддерживается в более чем 135 крупнейших мегаполисах и имеет свыше 4000 вышек на территории США.

Чрезвычайно удобная, в особенности для руководителей и торговых агентов, CDPD достаточно дорога. Помимо различных ценовых планов, зависящих от количества передаваемых в месяц килобайт, пользователям приходится покупать CDPD-модем. При цене модема от 450 до 1600 долларов для оправдания такой покупки «удобства» должны быть весьма значительными, особенно по сравнению с модемом V.90, стоящим около 80 долларов, обеспечивающим соединение со скоростью по крайней мере 28,8 Кбит/с при стоимости связи 10 центов в минуту в случае междугородной связи с коммутацией каналов.

GSM

Если AMPS, FDMA, TDMA и CDMA для вас недостаточно, есть еще GSM (см. сравнение всех этих технологий в Таблице 1).

Таблица 1. Беспроводные сотовые технологии.

GSM является общеевропейской версией TDMA. Этот стандарт используется более чем в 90 странах, но наибольшее распространение он получил в Европе, благодаря чему европейцы могут перемещаться из страны в страну без использования телефонов с поддержкой двух разных технологий. Во всемирном же масштабе примерно половина от общего числа пользователей обязана возможностью сотовой связи именно технологии GSM.

Одной из наиболее интересных возможностей GSM является поддержка передачи коротких сообщений (Short Message Service, SMS), благодаря которой телефоны GSM могут принимать короткие текстовые сообщения. Кроме того, телефон GSM можно подключить к ПК для передачи данных и факсимильных сообщений со скоростью 9,6 Кбит/с.

Первоначально ограниченная диапазоном 900 МГц новая европейская версия GSM работает в диапазоне 1800 МГц, между тем как североамериканская версия — в диапазоне 1900 МГц. Сегодня в целях роуминга пользователь может приобрести двухдиапазонные телефоны (900/1800 и 900/1900 МГц) или один из нескольких недавно представленных «универсальных» трехдиапазонных (900/1800/1900) телефонов. За исключением универсального аппарата, большинство телефонов GSM не может одновременно работать и в Северной Америке, и в Европе.

Однако роуминг между Северной Америкой и Европой тем не менее возможен, для этого абоненту необходимо вынуть свой идентификационный модуль абонента (Subscriber Identity Module, SIM) из телефона, используемого в Северной Америке, и поместить его в европейский аппарат, и наоборот. В SIM хранится выделенный абоненту телефонный номер, секретный ключ пользователя, портфель услуг, на который он подписался (например, переадресация звонков, голосовая почта и т. д.), и идентификационные алгоритмы.

В настоящее время среди свыше 170 млн абонентов по всему миру около 5 млн являются гражданами США. GSM поддерживается в 46 штатах, и сегодня Северная Америка — третий по величине рынок сотовой связи.

СЕТИ 3G

Некоторые развиваемые сегодня беспроводные технологии могут расширить наши возможности взаимодействия. Все вместе они называются беспроводными технологиями третьего поколения (3G). AMPS представляет первое поколение, а TDMA и CDMA — второе поколение беспроводных технологий.

Исследования в области 3G начались еще в 1986 году, когда ITU занялась разработкой IMT-2000. IMT-2000 является семейством систем, обеспечивающих беспроводной доступ через спутниковые и наземные системы как для фиксированных, так и для мобильных пользователей.

В соответствии с планами ITU в отношении IMT-2000, сетевые услуги будут включать поддержку всех имеющихся сервисов телефонной сети, передачу голосовых сообщений (включая Teletex, пейджинг, Telefax и SMS), многоадресную рассылку, а также услуги мультимедиа (включая высокоскоростную передачу данных). Поддерживаться будет коммутация как пакетов, так и каналов, при этом предполагаемые скорости передачи данных будут не ниже, чем указано в Таблице 2.

Таблица 2. Минимальные скорости передачи данных для IMT-2000.

Возможно, поддавшись синдрому «изобретено не здесь», европейские и японские сотовые операторы и производители оборудования выбрали технологию под названием широкополосный множественный доступ с кодовым разделением (Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA). К сожалению, WCDMA существенно отличается от североамериканских систем CDMA на базе технологии, предложенной Qualcomm, свой вклад в разработку которых внесли Lucent Technologies, Motorola и Nortel Networks. (Для больших любителей акронимов заметим, что разработчики стандарта CDMA окрестили его вначале LMNQ в честь каждого из производителей, это название просуществовало, пока к группе не присоединилась компания Samsung.)

Упомянутые выше производители вместе с другими создали Группу разработки CDMA (CDMA Development Group, CDG) и зарегистрировали торговую марку сdmaOne для полнофункциональной беспроводной системы, куда входит воздушный интерфейс IS-95 CDMA, сетевой стандарт ANSI-41 на соединения между коммутаторами и другие необходимые стандарты.

Следующим предполагаемым этапом развития сdmaOne должен стать стандарт 1XRTT. 1XRTT, публикация которого была одобрена подкомитетом TR45.5 в июле 1999 года, обеспечивает передачу пакетных данных в мобильной среде со скоростью 144 Кбит/с. Другие планы в отношении 1XRTT включают двукратное увеличение времени ожидания и абонентской емкости в рамках существующего канала CDMA на 1,25 МГц. По информации CDG, сdmaOne будет в окончательном варианте поддерживать каналы различной ширины, а также обеспечивать передачу канальных и пакетных данных со скоростью до 2 Мбит/с.

Для обозначения планируемого преобразования CDMA из системы второго поколения сdmaOne в стандарт 1XRTT с определенными им сервисами 3G TIA приняла название сdma2000.

До недавнего времени казалось, что Европа и Соединенные Штаты опять пойдут разными путями, июньская встреча 1999 года группы радиоэкспертов ITU по поводу IMT-2000 в Пекине одобрила общий компонент CDMA стандарта IMT-2000. Предполагаемые согласованные параметры CDMA структурированы таким образом, чтобы они позволяли разработать недорогие аппараты с поддержкой нескольких режимов, благодаря чему телефоны WCDMA и сdma2000 смогут взаимодействовать друг с другом.

Каким бы акронимом она ни обозначалась, IMT-2000 должна привести к появлению телефонов с поддержкой полосы шириной 5 МГц не позднее 2000 года. Ввиду пропорциональности скорости передачи ширине полосы это соответствует передаче данных со скоростью 384 Кбит/с в случае подвижного абонента и 2 Мбит/с в случае неподвижного.

Для владельца дома или обитателя квартиры возможность путешествовать по Internet со скоростью 2 Мбит/с будет весьма привлекательна, особенно по сравнению с другими разрабатываемыми технологиями. Хотя фиксированная беспроводная связь и идет «ноздря в ноздрю» с DSL и кабельными модемами, новичок тем не менее может выиграть забег, так как DSL для частных пользователей в виде G.lite предполагает использование микрофильтров, а кабельные модемы являются решением на базе разделяемой среды передачи.

В случае кабельных модемов телевизионный канал шириной 6 МГц может использоваться тысячами абонентов. Если операторам беспроводной связи удастся разместить ячейки таким образом, чтобы емкость соответствовала спросу, то победителем в битве между дочерними компаниями Bell и кабельными операторами окажется совсем другой претендент.

Учитывая сказанное, мы можем попытаться заглянуть в будущее, где потребность в передаче данных будет, возможно, удовлетворяться с помощью разрабатываемых новых типов мобильных телефонов, благодаря которым коммерческие и индивидуальные пользователи смогут наконец избавиться от пут абонентского шлейфа.

Гилберт Хелд — автор свыше 40 книг и 300 статей. С ним можно связаться по адресу: gil_held@yahoo.com.

Пчеловодство на родине слонов

Ресурсы Internet