В недавно попавшейся мне публикации, увидевшей свет в 1998 г., вице-президент тогда еще независимой шведской компании Ericsson Иоаким Серваль утверждал, что «услуги по передаче данных всегда ориентированы на бизнесменов». Он, конечно, предсказывал распространение этих услуг в сотовых сетях и на «рядовых людей», но понимание того, как именно ими будут пользоваться, у него явно отсутствовало. В качестве «убойной функции»1 Серваль называет передачу видеооткрыток. По поводу же доступа в Интернет тогда еще спорили, захочет ли клиент усложнять себе жизнь громоздкой связкой ноутбука с мобильником в качестве модема. А вот многие термины и аббревиатуры, знакомые в наши дни большинству пользователей мобильной связи, то и дело уже мелькали в его речи – это WCDMA, UMTS и др. Именно тогда, в конце предыдущего тысячелетия, закладывались основы того беспроводного великолепия, которое окружает нас в настоящее время.

Правда, если внимательно рассмотреть его, то в значительной степени оно оказывается феноменом медийного характера, навеянным магией аббревиатур и цифр, имеющих слабое отношение к действительности. Представьте себе автомобиль, в технических характеристиках которого приведена скорость 200 км/ч. Но севший за руль сможет разогнать его на ровном участке трассы максимум до 30--50 км/ч, а на подъеме он и вовсе застрянет. А ведь различие между величинами, обещанными стандартами беспроводной передачи данных и достигаемыми практически, может быть и гораздо больше. Например, в стандарте LTE приведена величина 173 Мбит/с, тогда как наблюдались скорости от 5 до10 Мбит/с. Другое дело, что само наличие таких услуг все-таки лучше, чем полное отсутствие мобильного доступа к любимой почте, друзьям «ВКонтакте», Skype и «Яндекс.Пробкам». Поэтому сложившееся положение пока многих более-менее устраивает, но все же очень хочется узнать, когда же беспроводная связь выйдет из детсадовского возраста, в котором сейчас находится?

Сотовая индустрия оказалась лишь слегка менее инерционной, чем телевидение. В прошлом остались разве что аналоговые системы первого поколения (1G), и то многие страны, даже не успев их распробовать, сразу вошли в 2G-эпоху. Системы второго поколения позволили радикально удешевить услуги передачи голоса и сделать мобильную голосовую связь доступной практически каждому жителю планеты, включая даже самые нищие страны. Немногим более чем за десятилетие 2G покорили мир: число абонентов сотовых сетей в начале 2012 г. превысило 6 млрд, т.е. составило около 85% всего населения Земли.

Но вот внедрение услуг третьего поколения – широкополосной передачи данных «по воздуху» – идет куда более низкими темпами. Сравните: количество активных SIM-карт на 100 российских жителей еще в 2006 г. превысило 100, а в текущем году уже зашкалило за 1602. В то же время уровень проникновения Интернета в нашей стране в 2012 г. приблизился к 50% населения, и лишь половина этой аудитории, причем только из самых молодых возрастных групп, пользуется услугами мобильного доступа. И это при том, что в некоторых российских регионах мобильный доступ даже опережает фиксированный из-за неразвитости сетей.

Впрочем, мобильная интернет-аудитория по темпам роста значительно опережает все остальные рынки, т.е. потенциальный спрос необъятен, просто наши сограждане еще находятся в начале пути. Грядущий массовый спрос на услуги уровня 4G (подстегиваемый распространением таких устройств, как планшеты), в конце концов, несомненно приведет к изменению и традиционных голосовых сервисов, сведя их к IP-телефонии. Но это произойдет далеко не завтра, а сегодня мобильный Интернет в сознании пользователей представляет собой лишь приятное, но дороговатое и необязательное приложение к ставшей уже привычной голосовой связи. Причем большинство 2G-сервисов, возникших еще в начале-середине 1990 г., существуют и поныне, а все последующие возникали как надстройки и в результате усовершенствования существовавших. Потому для оценки реалий наших дней придется вернуться на полтора десятилетия назад.

 

Три источника и три составные части мобильной связи

Понимание нынешних проблем будет неполным, если не иметь в виду, что зарождение принципов широкополосной мобильной связи в 1990-е г. происходило на фоне ожесточенной войны американских и европейских компаний за доминирование технологий цифровой сотовой связи. И как это нередко бывало в истории техники, в результате победила не самая совершенная, а самая дешевая и доступная.

Если традиционная телефония использовала индивидуальную пару проводов для каждого соединения, то при внедрении междугородней связи пришлось озаботиться множественным доступом к физическим каналам связи. Предусматривать выделение индивидуальной пары проводов для каждого желающего поболтать не то что с Америкой из Европы, а хотя бы с Питером из Москвы, попросту нереально. Но можно проложить один высокочастотный кабель, который будет передавать сразу широкую полосу частот. Каждый телефонный канал согласно увековеченному навсегда стандарту занимает полосу в 3,1 кГц (от 300 Гц до 3,4 кГц). Если наш кабель способен передать полосу частот, например, в 1 МГц, то можно «нашинковать» ее на отдельные полоски в 4 кГц (т. е. с некоторым запасом, чтобы каналы не мешали друг другу) и в результате по одной физической линии вести одновременно 250 разговоров.

Этот принцип, получивший название FDMA3, широко применяется во всех средствах связи, где необходимо разделить отдельных собеседников при дефиците физических каналов. В радиосвязи, где физический канал один на всех (мировой эфир), это когда-то был единственно возможный способ множественного доступа. Только пользователи индивидуальных радиостанций (aka «воки-токи») вынуждены переключать частотные каналы вручную, а в мобильной телефонии это пришлось автоматизировать.

FDMA лег в основу всех аналоговых стандартов мобильной связи поколения 1G. Но он недостаточно эффективен: фактически это тот же самый принцип коммутации индивидуальных физических линий, только под «линией» здесь подразумевается частотный канал. По мере роста клиентской базы становилось все теснее в освоенных тогда участках электромагнитного спектра (450 и 800--900 МГц), и в начале-середине 1990 г. во всем мире стали дружно переходить ко второму – цифровому – поколению мобильной сотовой связи на основе пакетной передачи данных. И вот по вопросу о том, каким стандартом руководствоваться в дальнейшем, и разразилась настоящая война между Европой и Америкой.

Принципиальный выбор предлагался между двумя способами: TDMA4 и CDMA. Первый из них предполагает, что частотный канал делится на несколько временных отрезков (слотов), в каждом из которых передаются пакеты данных для своего абонента. Европейский стандарт второго поколения GSM (Global System for Mobile Communications), разработанный на рубеже 1980-1990-х гг. под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI), включает в себя и FDMA, и TDMA. Они легко переходят друг в друга, причем без кардинальной перестройки приемопередающей аппаратуры.

Антенны сотовой связи в Москве (фото автора). Тонкий штырь сверху на каждой антенне – радиорелейная связь между базовыми станциями на частоте 3--40 ГГц. На снимке видны также три ажурные конструкции из тонких стержней – компоненты коллективной приемной антенны аналогового телевидения

 

CDMA5 к тому времени использовался уже не первое десятилетие в военной спецсвязи. Любители «российских слонов» даже разыскали довоенную (1935) статью выдающегося советского радиотехника Д. В. Агеева, где впервые подробно обосновывается принцип кодового разделения каналов связи. В CDMA каждому абоненту непрерывно доступна практически вся отведенная полоса спектра, а разделение получается за счет индивидуального кода шифрования. Разумеется, это только общий принцип: элементы FDMA/TDMA в практических реализациях CDMA также присутствуют (хотя бы для разделения прямого и обратного каналов). Но мы остановимся на том, что один канал связи здесь должен иметь ширину не менее 1,23 МГц. Кажется, что это много (в GSM канал имеет ширину всего 200 кГц), но такой канал позволяет работать одновременно большему количеству клиентов и более эффективно использует спектр. При прочих равных CDMA требует на 30--40% меньше сот на единицу площади.

Любой специалист скажет вам, что с технической точки зрения CDMA гораздо совершеннее простого частотного или временного разделения каналов. И в качестве доказательства укажет на его ближайших родственников – системы доступа к навигационным спутникам GPS и ГЛОНАСС, позволяющие принимать сигналы с расстояния 20 тыс. км на устройства, имеющие габариты, как у наручных часов. CDMA не имеет строго фиксированного числа абонентов (при их увеличении, как и при росте уровня помех, лишь постепенно снижается качество связи). В нем принципиально отсутствует разрыв связи при переключении из соты в соту (что было настоящим камнем преткновения для ранних систем на основе GSM). Соседние базовые станции CDMA могут работать на одной и той же частоте и даже, подобно Bluetooth и Wi-Fi, допускают работу в том же диапазоне радиосистем иной природы. Абонентские CDMA-аппараты, помимо всего прочего, излучают ровно столько, сколько нужно приемнику базовой станции на данном расстоянии (иначе при работе на одной частоте они бы заглушали друг друга). И потому, на радость экологам, они имеют на порядок меньшую пиковую мощность ВЧ-излучения: 200 мВт против 2 Вт у GSM-аппаратов. В общем, перечень достоинств этого способа по сравнению с «тупым» GSM можно продолжать и продолжать.

Первый стандарт связи на основе CDMA, получивший название cdmaOne (IS-95), на публику был выведен позже, чем GSM. Коммерческие сети cdmaOne появились в США в 1995 г. До этого там был распространен старый аналоговый AMPS в адаптированном под «цифру» варианте DAMPS, и от него долго не отказывались. Во второй половине девяностых cdmaOne стал доминировать на рынках США (из крупных рынков еще можно назвать Южную Корею, тогда как Япония поддержала Европу). Но даже в самих США не все было так однозначно: DAMPS, как и GSM, использовал TDMA, а не CDMA. Плавного перехода между цифровыми стандартами не получалось, а международный роуминг оказывался практически невозможен из-за принципиальной несовместимости всех трех стандартов.

Кроме того, аппаратура CDMA значительно сложнее (это касается и базовых станций, и клиентских аппаратов). Это также было очень существенным фактором в те времена: понятно, что охотнее купят менее совершенный, но в несколько раз более дешевый телефон. К тому же американцы во главе с компанией Qualcomm (имевшей базовый пакет соответствующих патентов, унаследованный ею от американского ВПК) сами многое испортили. Они потребовали лицензионных отчислений за каждый установленный терминал CDMA – на этом этапе в технический спор вмешалась не только экономика, но и политика.

В результате возобладал менее совершенный, но более дешевый и предусматривающий плавную преемственность поколений европейский стандарт GSM. Сейчас более 85% пользователей в мире используют именно его. В России была даже предпринята попытка законодательно запретить CDMA. Так, был издан приказ Госкомсвязи РФ от 14.04.1999 № 67, ограничивающий распространение CDMA в диапазоне 800 МГц только расширением местных стационарных телефонных сетей (если встретите в отдаленной деревне оранжевый телефон-автомат с антенной, знайте – это оно и есть). Однако этот приказ отказалось зарегистрировать Министерство юстиции Российской Федерации как нарушающий принцип технологической нейтральности, и уже в ноябре того же года он был отменен. Тем не менее из-за доминирования GSM в европейских странах (и сопутствующих проблем роуминга) CDMA так и не стал в нашей стране сколько-нибудь популярным.

Однако CDMA, как и предсказывали специалисты, в итоге все-таки взял свое. Как известно, кодовое разделение вошло в 3G-расширение GSM под названием WCDMA, а в поколении 4G оба конкурирующих стандарта и вовсе слились в одно целое.

 

Поверх голоса

Сначала провайдеры сотовой связи и не помышляли о какой-то там передаче данных. Как уже было отмечено, первое поколение мобильной связи, которое составляли аналоговые стандарты NMT (в Европе) и AMPS (в Америке), практически полностью перенесло в беспроводную среду принципы традиционной телефонии, включая и принцип коммутации каналов. От замены пары проводов на частотный канал ничего не изменилось. Поэтому провайдерам было даже не очень интересно, подключают ли к таким каналам модемы для передачи данных. Для них, как и для традиционных проводных операторов, совершенно безразлично, чем абонент занимает канал, лишь бы он вовремя оплачивал услуги и, желательно, не выходил за рамки технических требований.

Во втором поколении (2G), основанном на цифровой пакетной передаче, удалось добиться значительного улучшения качества передачи голоса, повышения емкости сетей, более эффективного использования выделенных участков спектра. И все обеспечили переход (правда, неполный ) от коммутации каналов к коммутации цифровых пакетов, а также внедрение прогрессивных механизмов разделения каналов. Но и тогда, в начале-середине 1990-х г., операторы не задумывались всерьез об интеграции передачи данных в базовые услуги. Интернета еще не существовало, а письменный обмен казался представителям не первого поколения, выросшего в условиях тотальной телефонизации, безнадежной архаикой времен королевы Виктории.

Потому даже такой простой сервис, как SMS6, не требовавший никаких серьезных надстроек над существовавшими стандартами, проникал в массы целое десятилетие. Во время недавнего 20-летнего юбилея SMS проскочило интервью разработчика системы и отправителя первого текстового сообщения, инженера британской Sema Group Нила Пэпуорта, где он признается, что совершенно не ожидал такого успеха. Инженеры и технические руководители отрасли, по их собственному признанию, не могли даже предположить, что кому-то захочется набирать текст на неудобной клавиатуре телефона, когда можно просто позвонить. Потому и через три года после первой SMS Пэпуорта абоненты в среднем отправляли по одному сообщению каждые два месяца, а услугу использовали в основном сами сотовые операторы для оповещения абонентов. Массовым этот сервис стал лишь в 2000-х г., когда стало возможным посылать SMS абонентам других компаний-операторов.

В настоящее время SMS вследствие простоты и независимости от аппаратных особенностей, причем на стороне как клиентских устройств, так и самой сотовой сети, является самым популярным сервисом «поверх голоса». Ежесекундно в мире отправляются более 200 тыс. коротких сообщений. Их самый крупный недостаток – ограниченность 140 восьмибитными символами – был преодолен в стандарте GSM Phase 2+ возможностью сбора отдельных SMS в одно большое сообщение. Так как содержание SMS, вообще-то, не ограничено именно текстом, их широко используют в технических и научных целях. Автору этих строк случилось принимать участие в проекте, где плавучая океанологическая станция путем автоматизированной отправки SMS через спутниковый модем с выходом на электронную почту переправляла в центр обработки накопленные данные измерений. При этом пришлось изобретать и собственный почтовый клиент, способный собирать воедино данные из тысяч принятых сообщений.

Но ко второй половине 1990-х г. операторы в массовом порядке не смогли предложить практически никакого другого сервиса передачи данных через сотовые сети, кроме SMS. Необходимая скорость передачи оцифрованной речи во втором поколении сотовых сетей не превышала 13 кбит/с. И много ли надо для оцифровки звуковых частот в полосе 3 кГц, да еще и с применением всяких хитрых кодеков? Поэтому сотовым операторам было вовсе не с руки расширять полосы рабочих частот, занимая дефицитный радиочастотный спектр для услуги, сомнительной по окупаемости. В результате скорость обмена данными в цифровой сотовой сети не превышала 9600 бит/с. Причем дело доходило до того, что приходилось приобретать отдельный телефонный номер даже для такой банальной услуги, как прием/передача факса.

Кроме того, еще не была готова аппаратная база – куда и откуда передавать? Когда к середине 1990-х г. появились первые карманные компьютеры, такие как Newton MessagePad от Apple, Sony Magic Link, Psion или Zaurus, они оказались слишком дороги и слабо ориентированы на коммуникационные функции. Практически забытый ныне Sony Magic Link PIC-1000 имел 512 Кбайт (это не опечатка – именно килобайт!) памяти, монохромный экран с 16 оттенками серого при разрешении 480×320 точек. А также у него единственного из четырех перечисленных был встроенный телефонный модем 14,4 кбит/с. Для работы в сотовой сети приходилось покупать отдельный модем, совместимый далеко не со всеми сотовыми телефонами.

Но даже такие аппараты казались экзотикой, а сами сотовые телефоны, вплоть до начала 2000-х г. в основном рассчитанные на передачу голоса, имели примитивные монохромные текстовые дисплеи. В такой ситуации возникали довольно уродливые компромиссы, и одним из них явился протокол WAP (см. врезку).

 

Протокол WAP

Вообще-то, Wireless Application Protocol (WAP) является надстройкой над Всемирной сетью, а не над сотовыми телефонными сетями. Тем не менее он традиционно упоминается в контексте сотовой телефонии, так как родился из ее нужд. WAP – это аналог протокола HTTP, лежащего в основе Интернета, но ориентированный на куцые возможности тогдашней мобильной аппаратуры. Он предусматривал обмен на скорости не более 9600 бит/с при возможных перерывах в связи (при переключении из соты в соту перерыв в связи, согласно первым версиям стандарта GSM, мог превышать секунду).

Любопытно, что первые версии WAP использовали для передачи данных отправку SMS, которые собирались на стороне клиента в осмысленное сообщение. Лишь потом, по мере внедрения, к SMS присоединились другие протоколы передачи данных (такие, как GPRS). Для WAP-доступа необходимы были все-таки довольно совершенные аппараты, поддерживавшие какую-нибудь из распространенных тогда мобильных ОС (EPOC, Palm OS, WinCE, FlexOS или JavaOS), с возможностью установки специального WAP-браузера, основанного на языке с корявым названием Wireless Markup Language (WML, «язык беспроводной разметки»). Чтобы обеспечить их контентом, приходилось создавать специальные WAP-сайты.

Типовой внешний вид такого сайта имеет новостной WAP-сервис компании МТС 

WAP-протокол так и не обрел заметной популярности за пределами немногочисленной прослойки «гиков». Клиенты предпочитали использовать мобильник в качестве модема и просматривать контент на нормальном экране ноутбука, а не щуриться на малюсенький текстовый экран примитивного, но все-таки довольно дорогого мобильника с поддержкой Java. А потом появились и нормальные смартфоны с настоящими ОС и поддержкой мультимедиа, которые уже стоили свои деньги, из-за чего WAP оказался совсем не у дел.

В результате к концу 2000-х г. WAP был практически забыт пользователями, хотя операторы связи старались удержать его в тарифах отдельной строкой до последнего. Дело в том, что WAP-доступ, будучи рассчитан на мизерные скорости и соответствующие объемы информации, традиционно тарифицировался в рублях за 10 Кбайт, т.е. в 100 раз выше, чем современный «нормальный» интернет-доступ. Вероятно, в советах директоров сотовых операторов удовлетворенно потирали руки, глядя на несчастных лохов (к счастью, немногих), не осознавших разницу между GPRS и WAP-GPRS и заплативших 400 руб. за скачивание приблуды в 1,5 Мбайт размером (реальная история 2009 г., сохранившаяся в архивах otvety.google.ru). Правда, в последние годы WAP в тарифах без лишнего шума поместили в один ряд с абстрактным «мобильным интернетом», и проблема исчезла.

 

CDMA2000

Чтобы в дальнейшем не отвлекаться, сразу кратко обсудим эволюцию ветви CDMA. Вообще-то CDMA изначально содержал возможность передачи данных по тем же каналам, что и голос. В версии стандарта cdmaOne под названием IS-95A была предусмотрена передача данных со скоростями до 9600 бит/с, а в версии IS-95B теоретически можно было получить даже 115 200 бит/с. После того как было осознано, что невозможно создать единый 3G-стандарт (на эту роль первоначально предназначался UMTS, к которому мы еще вернемся), в 1998 г., одновременно со сторонниками GSM, организовавшими группу 3GPP, был создан консорциум 3GPP2, занявшийся расширениями CDMA. В 2000 г. этот консорциум разработал общую стратегию третьего поколения мобильной связи в рамках CDMA, получившую название CDMA2000 (или IS-2000) и вошедшую в международный стандарт третьего поколения IMT-2000.

Стандарт CDMA2000 в процессе эволюционного развития сетей прошел несколько этапов (фаз), на первом из которых он под названием CDMA2000 1X обеспечивал передачу данных со скоростью до 144 кбит/с7. До поколения 3G он не дотягивал (хотя в рекламных целях производители и пытались протолкнуть название 3G 1х), и потому его можно отнести к поколению 2,5G. На этой фазе развития CDMA2000 1X полностью совместим с базовым стандартом IS-95, поэтому, желая подчеркнуть преемственность, его также называли IS-95C. На следующей фазе он под названием CDMA2000 1Х EV-DO, с теоретическими скоростями от оператора к абоненту до 2,4--3,1 Мбит/c, уже полностью относится к третьему поколению. Интересно, что EV-DO базируется на TDMA, в то время как конкурирующая группа 3GGP внедряла, в свою очередь, UMTS, основанный на CDMA. Так оба эти непримиримых противника продемонстрировали в третьем поколении полный разворот кругом от базовых принципов.

CDMA2000 предусматривал плавный и простой переход к третьему поколению мобильной связи. Поэтому именно он стал фактическим пионером 3G в мире, где внедрение появившегося раньше GSM-ориентированного UMTS шло достаточно медленно. С тех пор как южнокорейский провайдер SK-Telecom в ноябре 2002 г. подключил первых абонентов к своей сети EV-DO, численность пользователей третьего поколения стала быстро расти и к 2005 г. достигла 20% от числа абонентов CDMA (для UMTS соответствующее количество тогда еще не превышало 6%). Однако большая распространенность GSM-ветви в мире не могла не сыграть свою роль. Уже в том же 2005 г. общее количество пользователей UMTS превысило численность абонентов CDMA2000, а к настоящему времени на каждого абонента последней в мире приходится около трех пользователей UMTS. Уже существуют версии (ревизии) EV-DO Rev. C и D (280/75 Мбит/с и 500/120 Мбит/с соответственно), относящиеся к четвертому поколению. Но судя по всему, они умрут, еще не родившись: пришел 3GPP LTE, который оказался совместим с обеими доминирующими технологиями.

В следующей статье этого цикла мы расскажем о драматической истории попыток превратить примитивные цифровые сервисы второго поколения в настоящую широкополосную систему связи. Кстати, история эта далеко не закончена: сейчас мы находимся на ее восходящем участке, но контуры будущего, пожалуй, уже просматриваются.

 

1 Killer application (можно перевести, как «сногсшибательное», или «заманчивое», приложение).

2 Как ни парадоксально, но по глубине проникновения сотовой связи мы (как и многие другие развивающиеся страны) значительно опережаем Северную Америку, где количество активных абонентов на 100 жителей до сих пор не превышает 90. Это объясняется просто: в США еще много десятилетий назад было достигнуто 100%-е обеспечение услугами стационарной телефонии весьма развитого уровня, и завоевывать клиентов сотовым операторам пришлось в условиях жестокой конкуренции.

3 frequency division multiple access — множественный доступ с частотным разделением.

4 time division multiple access — множественный доступ с временным разделением.

5 code division multiple access — множественный доступ с кодовым разделением.

6 Short Messaging Service — служба коротких сообщений.

7 В некоторых источниках можно встретить и другую цифру: 153 кбит/с.