В предыдущей статье «Поколение за поколением: из куколки в бабочку» (см. «Мир ПК», №3/2013 (http://www.osp.ru/pcworld/2013/03/13034107/)) мы рассматривали в основном второе поколение мобильной связи, которым сейчас пользуется подавляющее большинство населения Земли. Для предоставления дополнительных услуг сверх голосовой связи и коротких текстовых сообщений, характерных для этого поколения, пришлось изобретать новые принципы работы сетей, поскольку в полосу частотного канала передачи голоса в сетях GSM широкополосная передача данных не помещается физически. Но первые решения такого рода старались не выходить из рамок уже захваченного частотного ресурса, подбирая все возможные внутренние резервы.
GPRS и EDGE
Решение, которое как раз и основывалось на скрытых резервах существующих сетей сотовой связи, начало внедряться в конце 1990-х г. в рамках GSM. Оно получило название GPRS (General Packet Radio Services, «пакетная радиосвязь общего пользования»). В России GPRS был впервые продемонстрирован компанией МТС весной 2000 г., а к 2002 г. все операторы уже предлагали эту услугу.
Проблему медленной скорости передачи в сети GSM (от 9,6 до 21,4 кбит/с, в зависимости от схемы кодирования, в расчете на каждый временной слот TMDA) в рамках GPRS решили стандартным методом MIMO (Multiple Input Multiple Output – «множественный вход – множественный выход»): объединением нескольких каналов. Число временных слотов в каждом GSM-кадре равно восьми, таким образом, теоретическая скорость передачи в GPRS может достигать 21,4 × 8 = 171,2 кбит/с. В реальности она, конечно, значительно ниже. Первые телефоны, способные работать в качестве GPRS-модемов, поддерживали три-четыре канала на прием и один на передачу. Продвинутые схемы кодирования в реальных условиях не функционировали, и хороший GPRS-сервис тех времен работал с пиковыми скоростями 20—30 кбит/с. Число суммарно используемых слотов для GPRS и сейчас оператор связи обычно ограничивает до пяти (три или четыре — на прием и один или два — на передачу), и потому до максимальных цифр скорость не дотягивает даже в идеальных условиях.
При этом оператор может выбирать, чему отдать приоритет: голосу или передаче данных. Понятно, что голосовая связь является базовой услугой, и нецелесообразно жертвовать ей во имя какого-нибудь человека, захотевшего как раз в этот момент посмотреть ролик на You Tube. Все операторы (по крайней мере, в России) отдают приоритет голосовому трафику, оставляя на долю цифровой передачи свободные в данный момент временные слоты. Потому скорость такого обмена зависит не только от уровня помех и условий распространения радиосигнала, но и от загруженности сети, которая в условиях больших городов лимитирует скорость обмена иногда до полной неработоспособности сервиса.
EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution, иначе EGPRS – расширенная GPRS) стала расширением GPRS в результате применения хитрых схем кодирования, позволявших передавать не 1 бит, а 3 бита в одной посылке. Теоретическая скорость EDGE составляет до 474 кбит/с (8 тайм-слотов × 59,2 кбит/с). Это отвечает требованиям Международного союза электросвязи для спецификаций поколения 3G (см. таблицу). Однако на практике такие скорости никогда не достигаются – и из-за ограничений операторов, и из-за несовершенства самих телефонов, и из-за невозможности применять усложненные схемы кодирования на реальных расстояниях в условиях помех. Поэтому обычно EDGE упоминают совместно с GPRS в рамках расширения второго поколения 2,5G.
Приятной особенностью GPRS/EDGE была адаптация передачи данных к условиям в существующих сотовых сетях, без необходимости расширения и перераспределения уже выделенных в рамках второго поколения участков электромагнитного спектра. Если обычные модемы, как и голосовая связь, полностью загружают линию (или сотовый канал), то GPRS «включается» только тогда, когда действительно надо что-то передавать или принимать, адаптируясь к текущей загрузке сети. Поэтому для GPRS стало возможным ввести помегабайтную тарификацию вместо разорительной повременной, что существенно изменило рынок.
Распространение GPRS/EDGE носило далеко не взрывной характер — отставали производители телефонов. Пользователи предпочитали изучать Интернет через удобный экран ноутбука, присоединенного к Сети кабелем. Дорогой и далеко не повсеместный мобильный доступ был еще мало кому нужен. Кроме того, из-за указанных особенностей технологии связь через GPRS/EDGE носит очень неравномерный характер: скорость может снижаться буквально до нескольких бит в секунду, затем рывком возрастать до нескольких десятков килобит и опять практически пропадать на долгие минуты. Причем эти проблемы одинаковы и для жителей больших городов с перегруженными сетями, и для обитателей провинциальных населенных пунктов с недостаточно качественным покрытием. В принципе, они должны решаться в рамках сетей третьего поколения, где передача данных уже не так явно прилеплена сбоку к голосовому трафику, но реальность обычно оказывается хуже наших ожиданий.
Поколения мобильной связи
Термины «2G», «3G» и т. п. не являются официальными названиями, соответствующими каким-то показателям, строго установленным стандартом. Маркетинговым происхождением всех этих «G» обусловлена и достаточно вольная их трактовка, встречающаяся в рекламных акциях и публикациях. Их следует рассматривать скорее как обобщенную характеристику технического уровня (куда входят и скорость передачи, и совокупность технологий, и доступные ресурсы, и еще многое другое). Более-менее четкие граничные цифры, согласно требованиям Международного союза электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), можно найти для 3G и 4G, но и для них реальность значительно отстает от теоретически достижимых значений. Хорошим примером может служить московское LTE под маркой Yota, которое технологически относится к поколению 4G, хотя даже официально декларируемая максимальная скорость доступа в рамках этой услуги не превышает 20 Мбит/с, что впятеро меньше установленного для IMT-Advanced минимума (см. таблицу).
.jpg) |
| Связь поколений мобильной связи |
Составляющие поколений мобильной связи проиллюстрированы на рисунке (см. выше), а краткие характеристики каждого из поколений сведены в таблицу. Вообще говоря, названия поколений родились в рамках стандарта GSM и его расширений (группа 3GPP), и потому вплоть до LTE аналоги из ветви CDMA причисляются к тому или иному поколению формально, по аналогии с доступными скоростями или по соответствию стандартам. В принципе, к каждому поколению можно причислить еще довольно много технологий и стандартов, забытых или не получивших практического развития, но мы их не упоминаем, так как в реальной жизни они не встречаются.
Практические значения скоростей, указанные в последней колонке таблицы, приведены на основе обобщения различных опубликованных данных о тестировании реальных сетей, а на практике они могут быть как выше, так и ниже. При оценке того или иного рыночного предложения можно руководствоваться следующими эмпирическими правилами:
— голосовой режим Skype (от 100 кбит/с) работает иногда в 2,5G и почти всегда в 3G;
— видеорежим Skype и просмотр онлайн видео низкого качества (от 350–400 кбит/c) часто работают в 3G и почти наверняка в 3,5G;
— просмотр онлайн видео высокого качества (от 3 Мбит/с) работает только в 4G.
.jpg)
UMTS, он же WCDMA
История стандарта UMTS (Universal Mobile Telephone System) тесно связана с консорциумом 3GPP, который в 1998 г. объединил ведущие компании и организации Европы, США, Японии и Южной Кореи с целью разработки единого стандарта сетей следующего поколения после 2G. К тому времени уже было понятно, что наилучшим вариантом для обеспечения широполосного доступа поверх доминирущего в мире стандарта GSM будет WCDMA – Wideband (широкополосный) CDMA. Технически более совершенная технология, казалось бы, отвергнутая мировым сообществом из-за сложности и дороговизны, вернулась на новом уровне и стала основой UMTS. В те же годы Международный союз электросвязи включил UMTS в свое семейство стандартов IMT-2000, которое обычно и понимается под термином 3G.
Разработчики WCDMA, вероятно, сознательно дистанцировались от оригинального IS-95, хотя, как потом выяснилось, полностью избежать патентных споров с Qualcomm им все же не удалось. Но это ничуть не сказалось на распространении технологии, которую ограничивала лишь инертность производителей телефонов. Первая коммерческая UMTS-сеть была запущена 1 декабря 2001 г. в Норвегии. Поначалу внедрение 3G-услуг шло достаточно вяло. Доступ в Интернет через мобильник в качестве модема кусался своей ценой, на сами мобильники из-за их примитивности принимать еще было практически нечего (не подсаживаться же на убогий и разорительный WAP, в самом деле), а других «убойных» сервисов провайдеры тогда еще не придумали – до появления iPhone и iPad оставались еще долгие годы. Интересно, что по отношению к новым технологиям японцы оказались намного лабильнее европейцев и американцев. Крупнейший японский сотовый оператор NTT DoCoMo, запустивший собственную версию 3G в октябре 2001 г., уже к апрелю 2004 г. имел около 4 млн пользователей, составлявших тогда практически половину всех 3G-пользователей в мире.
Стандарт WCDMA применяет аналогичную обычному CDMA кодовую модуляцию, но в более широкой, чем IS-95, полосе частот, равной 5 МГц. В нем также используются знакомые нам принципы FDMA и TDMA – для разделения каналов приема и передачи. Вместе с тем WCDMA унаследовал от своего прототипа большинство преимуществ: высокую помехозащищенность и автоматическую адаптацию к условиям работы, как по мощности сигнала, так и по пропускной способности. В нем появились даже реально работающие элементы QoS, т.е. управления качеством соединения с гарантированным минимумом.
Вообще говоря, GSM и UMTS – это технически разные сети, хотя они и работают в одном частотном диапазоне. Для совместимости с GSM применяют специальную эстафетную передачу управления (хэндовер) между GSM и WCDMA. Если пользователю одновременно доступны сеть GSM и WCDMA, ядро UMTS будет перераспределять нагрузку в зависимости от условий. Если одна из сетей недоступна (обычно это сводится к случаю, когда есть сигнал GSM, но нет покрытия WCDMA) используется физический уровень другой. Пользователя все это не спасает от покупки нового устройства для доступа ко всему ассортименту услуг, но вот расходы операторов на внедрение могут заметно снижаться, – а значит, и ценовой удар будет не столь катастрофическим.
«Обычная» UMTS позволяет достигнуть скоростей передачи на уровне нижней границы 3G, т.е. около 2 Мбит/с. Расширение UMTS под названием HSPA (High Speed Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных) имеет примерно такое же отношение к оригинальному WCDMA, как EDGE к GPRS. За счет хитрых алгоритмов кодировки, оптимизации разделения каналов и тому подобных ухищрений удается достигнуть скоростей теоретически до 14,4 Мбит/с в нисходящем (HSDPA) и до 5,7 Мбит/с в восходящем (HSUPA) каналах. На самом деле теоретические скорости там еще выше, но на практике соответствующие им конфигурации не употребляются.
В программах, прилагающихся к 3G-модемам, пользователь вместо простого HSPA, скорее всего, увидит надпись HSPA+. Иначе это чудо еще называется Evolved HSPA. Оно основано на добавке более сложных схем модуляции плюс традиционное MIMO. Теоретическая скорость HSPA+ от оператора к абоненту может составить целых 84 Мбита/с, для восходящего канала — 10,8 Мбит/с. Разумеется, такое возможно лишь для абсолютно твердого сферического смартфона в вакууме. В начале 2009 г. компания Vodafone провела тест HSPA+ сети в Испании, где планировалось достичь 16 Мбит/с, однако пришлось признать, что большинство пользователей получит скорость загрузки, не превышающую 4 Мбит/с.
WiMAX, или Со своим рылом в калашный ряд
Первым настоящим претендентом на поколение 4G стала технология, пришедшая совершенно сбоку. В начале 2000-х гг. производители компьютерного «железа» во главе с Intel объединились в организацию под названием WiMAX Forum. Его задачей была разработка стандарта, закрывающего нишу беспроводных компьютерных сетей масштаба WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks — беспроводные сети масштаба города). В этом смысле WiMAX (IEEE 802.16) был логическим продолжением Wi-Fi (IEEE 802.11), и с мобильной телефонией мог пересекаться лишь в почти не существовавшей в то время области VoIP.
Первоначально, в версии 802.16d от 2004 г., WiMAX существовал только в варианте для терминалов с малой мобильностью — стационарных модемов или ноутбуков. Зона покрытия этого варианта и в самом деле при некоторых условиях может достигать 50 км. И потому основным его назначением стала замена кабеля на «последней миле», т.е. обеспечения подключения к сети там, где кабеля нет вовсе или его использование неудобно. Нельзя сказать, чтобы проект пользовался оглушительным успехом: он требовал разворачивания достаточно дорогой инфраструктуры «с нуля», вкладываться в расширение кабельной сети было куда менее рискованно.
В 2005 г. вышла спецификация 802.16e, иначе называемая Mobile WiMAX, – для обеспечения подключения движущихся пользовательских терминалов. Этот вариант, предусматривающий скорости доступа до 40 Мбит/с при перемещении пользователя со скоростью до 120 км/ч, получил заметно большую поддержку. Радиус работы такой сети — от 1 до 5 км, причем она перекрывает как стационарные, так и мобильные применения.
Около 2008 г. одна за другой в мире стали возникать WiMAX-сети, и этот процесс совпал с бумом смартфонов. Для производителей аппаратуры, в принципе, не было проблематично дополнить и без того напичканные различными беспроводными интерфейсами устройства еще и модулями WiMAX. Таким вот образом стандарт и оказался в общем-то несвойственной ему роли конкурента сотовым телефонным сетям. Заметьте, что все эти сервисы широко рекламировались под маркой 4G, но не удовлетворяли и до сих пор не удовлетворяют формальным требованиям IMT-Advanced. Внесенная в этот стандарт версия WiMAX 2.0 (802.16m) со скоростями до 100 Мбит/с на переносных объектах окончательно была утверждена IEEE лишь в марте 2011 г., когда бум WiMAX-сетей уже был на спаде.
В России WiMAX-сетями с большой помпой занялась Yota («Скартел»). Осенью 2009 г. она даже объявила о внедрении официально еще не принятого WiMAX 2.0. Пользователи уже приготовились вскрывать заначки в перспективе необходимости оплачивать ни с чем несовместимые WiMAX-модемы, но воздушный шарик лопнул, не успев даже раздуться до заметных размеров.
Частотные страдания
Проблема свободных частотных диапазонов, возникшая далеко не вчера, имеет историю, восходящую корнями чуть ли не к первым опытам Лоджа, Попова и Маркони. В освоении радиочастотного спектра изначально было заложено одно противоречие: с ростом частоты повышается информационная емкость диапазона, но одновременно снижается реальный радиус действия аппаратуры. Если окинуть взглядом весь освоенный спектр, то легко заметить, что длинные радиоволны способны огибать земной шар, УКВ-дипазон доступен только в прямой видимости, а оптическая связь (инфракрасный и световой диапазоны) уже может быть прервана банальным дождиком или туманом. Этот закон действует и в локальных областях: например, в диапазоне 2,5–2,7 ГГц можно разместить втрое больше каналов связи, чем в диапазоне 800–900 МГц, но для обеспечения сплошного покрытия потребуется и втрое больше базовых станций.
По этим причинам оптимальный диапазон частот для построения беспроводных сетей связи, простирающийся от сотен мегагерц до единиц гигагерц, по тесноте уже давно напоминает нелегальное общежитие среднеазиатских гастарбайтеров. Дело осложняется тем, что если в голосовой сотовой телефонии поколения 2G необходимая непрерывная ширина полосы частот составляет порядка единиц и даже долей мегагерца, то для широкополосного доступа эта величина возрастает до десятков мегагерц. Например, в действующем на практике LTE (вплоть до релиза 8) требуемая ширина полосы может варьироваться от 1,4 до 20 МГц, причем чем выше требуемые скорости обмена, тем, естественно, шире требуемая полоса. При переходе к настоящему 4G в виде LTE-Advanced (релиз 10) потребуются полосы уже в 30 МГц, причем расположенные парами с определенным разносом по частоте. Организация таких каналов требует серьезной перепланировки уже выделенных диапазонов.
.jpg)
В России есть еще своя специфическая проблема, обостряющая квартирный частотный вопрос почти до неразрешимости: за гражданскими компаниями в России закреплено лишь 3–4% частотного спектра (а в мире на них приходится 30–40%). Около 33% официально зарезервировано за военными, а остальное предназначено для неопределенного «совместного использования», но реально все равно занято под «секретные» нужды. Это объясняется просто: по неофициальным данным, частота заносится в базу данных Минобороны РФ сразу же, как только принято решение о начале разработки оборудования, для которого она нужна. И высока вероятность того, что она застревает там навсегда, даже если разработка ничем не заканчивается. И если теперь в эту систему попадает заявка от независимого оператора, она направляется на согласование в Минобороны РФ, Федеральную службу охраны и лишь потом передается для окончательного решения в Государственную комиссию по радиочастотам. Силовые ведомства могут отказать без всяких объяснений, просто сославшись на секретность. А исков к ГКРЧ до некоторых пор суды вовсе не принимали, мотивируя это тем, что межведомственная комиссия не является ни юридическим лицом, ни органом власти. Ситуация отчасти изменилась лишь после вступления в силу в октябре 2010 г. поправок в Арбитражный процессуальный кодекс.
Одним из красивых решений частотной проблемы (а заодно и проблемы покрытия в местах, недоступных для обычных базовых станций) может стать повсеместное внедрение фемтосот: миниатюрных базовых станций, рассчитанных, подобно Wi-Fi-роутерам, на работу в масштабе квартиры или офиса. Уже существуют 3G-фемтосоты, а в поколении 4G они могут стать популярным аксессуаром, поскольку можно на небольших расстояниях обеспечить куда более высокую скорость обмена. Правда, еще только обсуждается модель массового применения этих перспективных устройств. В России они пока доступны лишь корпоративным клиентам, но вот МГТС уже вовсю обрабатывает москвичей, обещая «LTE в каждую квартиру».
4G, или Вперед, к победе коммунизма!
Проект консорциума 3GPP под амбициозным названием Long Term Evolution («Долгосрочная эволюция») ведет начало с 2004 г., когда в мире пользователи предыдущего поколения 3G еще исчислялись в долях процента от всей аудитории мобильных сетей. Для участников сотовой отрасли, привыкших к вялотекущему междусобойчику условных «американцев» (ветвь CDMA) и «европейцев» (ветвь GSM), где к тому времени все победы были уже одержаны и сепаратные переговоры проведены, WiMAX-удар со стороны компьютерных сетей, традиционно кучковавшихся в совсем другой рыночной нише, оказался довольно болезненным. Так что технология LTE, ориентированная на будущее поколение, без особой спешки и ажиотажа ковыляла до начала попытки экспансии WiMAX в конце 2000-х, когда ей пришлось сделать резкий рывок.
Для сотовых компаний внедрение WiMAX было неприемлемым решением. Строительство параллельной инфраструктуры фактически с нуля потребовало бы огромных затрат на интеграцию с существующими сервисами. Немаловажной была и проблема частотного ресурса (см. врезку «Частотные страдания»), где всем широкополосным сервисам одновременно просто негде развернуться. В результате в срочном порядке LTE был доработан до стадии LTE-Advanced (LTE релиз 10), причем к группе 3GPP присоединились и конкуренты из стана CDMA. В конце 2009 г. стандарт был представлен в ITU в роли кандидата на включение в IMT-Advanced, а в 2010 г. уже начали плодиться LTE-сети. Всего через полгода после испытаний WiMAX 2.0, в мае 2010 г., Yota, не изменяя рекламных интонаций, уже вовсю распространялась о своем намерении развернуть пилотные проекты LTE-сетей, а в мае 2012 г. объявила о бесплатном обмене модемов WiMAX-абонентам, переключив московские сети на LTE.
Теоретическая скорость LTE составляет до 326,4 Мбит/с на прием и 172,8 Мбит/с на передачу (в экспериментах в направлении «на прием» удавалось получать даже 1 Гбит/с). В самом стандарте указаны примерно вдвое меньшие цифры (173 и 58 Мбит/с), обещания операторов обычно сводятся к значению около 20 Мбит/с на прием и менее. Если ориентироваться не на несбыточные посулы, а на последнюю цифру, то LTE-сети оказываются самыми «честными» среди всех поколений. По отзывам и результатам тестирования, если уж LTE-сеть доступна, то реальная скорость составляет 5–10 Мбит/с, т.е. она всего вдвое–вчетверо ниже обещанной, тогда как в 3G этот разрыв измеряется порядками.
LTE-сеть является отдельной сетью, ее структура сильно отличается от сетей 2G и 3G. Однако доработка существующих базовых станций не требует их капитальной переделки от операторов как GSM, так и CDMA. Существенная особенность LTE – полный отказ от характерной для телефонии архаичной коммутации каналов. Весь трафик здесь передается посредством IP-пакетов. Поэтому, формально говоря, в LTE нет никаких специальных телефонных сервисов (в этом он похож на WiMAX). На первом этапе голос будет передаваться прозрачным переключением в обычную GSM- или CDMA-сеть, а в перспективе, по мере роста покрытия и надежности работы, передачу голоса по отдельному каналу полностью сменит IP-телефония и голосовая связь окончательно станет лишь одним из многих приложений общей услуги передачи данных.
Несмотря на поражение WiMAX, заслугу индустрии компьютерных сетей перед сотовыми пользователями переоценить невозможно. Если бы не необходимость конкурировать с внезапно возникшей угрозой, нас бы ожидала неспешная эволюция в рамках 3G. Из уже установленного оборудования провайдеры постарались бы выжать максимум, причем, естественно, измеряемый в деньгах, а не в уровне качества. За примером того, что нас могло ожидать, далеко ходить не надо. Это обычная голосовая сотовая связь, где явно достигнут знаменитый оптимум имени итальянского экономиста Парето, установившего закон баланса между качеством и стоимостью. Потому и надежда на то, что качество голосовой связи (на которое сейчас не жалуется только ленивый) когда-нибудь улучшится до хотя бы до уровня традиционной проводной телефонии, также может быть связана лишь с 4G-поколением.