Беспроводные технологии

Оборудование абонента получило название UE (User Equipment). Тем самым подчеркивается, что в отличии от предшествующих стандартов в UMTS может быть не только обычный телефон, но и смартфон, ноутбук, стационарный компьютер и т.п.

Пакетные данные в сети UMTS передаются от MGW к известному нам по системе GSM элементу SGSN, после чего через GGSN поступают к другим внешним сетям передачи данных, например Internet. Как правило, SGSN и GGSN сети GSM применяются для тех же целей и в сети UMTS. Производится только коррекция программного обеспечения данных элементов.

2.4. Мобильная связь четвертого поколения

Хоть стандарты третьего поколения мобильной связи и предоставляют пользователям широкий спектр услуг и обеспечивают высокую скорость обмена информацией до 14 Мбит/сек, однако объемы информации в коммуникационных сетях продолжают расти и поэтому организация 3GPP еще в 2004 году начала работу над созданием стандарта четвертого поколения 4G - LTE (Long Term Evolution). Основные требования к новому стандарту предполагали: увеличение скорости передачи данных до 100 Мбит/сек, повышение безопасности системы, снижение энергозатратности, уменьшение задержек в работе системы, совместимость с мобильными сетями предыдущих поколений. Уже в 2009 году первая сеть стандарта LTE была запущена в эксплуатацию в Швеции. Теоретически сети 4G способны передавать данные со скоростью до 326,4 Мбит/сек на прием  и до  172,8 Мбит/сек на передачу. При такой скорости на загрузку фильма в хорошем качестве понадобится не более одной минуты.

Структура сети LTE существенно отличается от сетей 2G и 3G. Изменениям подверглись подсистема базовых станций и подсистема коммутации, а также технология обмена данными между терминалом пользователя и базовой станцией, протоколы передачи информации между сетевыми элементами. Таким образом, теперь абсолютно вся информация (голос, пакетные данные) передается в виде пакетов19.

В подсистеме коммутации сети стандарта LTE можно выделить следующие узлы(см. Приложение А):

• Обслуживающий шлюз Serving Gateway (SGW)  заменяет MSC, MGW и SGSN сети UMTS и выполняет функции обработки и маршрутизации пакетных данных из подсистемы базовых станций. Обслуживающий шлюз соединяется непосредственно с сетями 2G и 3G того же оператора. Это существенно упрощает передачу соединения в сети предыдущих поколений при ухудшении зоны покрытия или перегрузке сети.
• Шлюз соединения с сетями других операторов Public Data Network Gateway (PGW) маршрутизирует информацию (голос, пакетные данные) из сети (в сеть) данного оператора.
• Узел управления мобильностью Mobility Management Entity (MME) предназначен для управления мобильностью клиентов сети LTE.
• Сервер абонентских данных Home Subscriber Server (HSS) представляет собой объединение в одном устройстве регистров VLR, HLR, AUC.
• Узел выставления счетов Policy and Charging Rules Function (PCRF) предназначен для формирования клиентам счетов за оказанные услуги связи.

В подсистеме базовых станций остался только один традиционный элемент – базовая станция eNodeB, которая кроме функций собственно базовой станции, выполняет еще функции контроллера базовых станций LTE. Такое решение позволяет упростить расширение сети, так как отпадает необходимость добавления новых контроллеров и расширения емкости существующих.

В сетях стандарта LTE используются технологии передачи данных MIMO и система кодирования OFDM. Технология MIMO (Multiple Input Multiple Output) предусматривает передачу данных посредством N-антенн и прием - M-антеннами, причем принимающие и передающие антенны расположены между собой на таком расстоянии, чтобы получить минимальную корреляцию. Ортогональное частотное разделение каналов с мультиплексированием OFDM (Orthogonal Frequency-division Multiplexing) представляет собой цифровую схему модуляции, которая использует в большом количестве расположенные рядом ортогональные поднесущие частоты.

В настоящее время наиболее приоритетными для сетей 4G являются частоты в диапазоне 2,3 ГГц. На этой частоте, например, работает китайский  оператор сотовой связи China Mobile. Другой диапазон частот 2,5 ГГц широко применяется в Европе, Японии, Индии и США. Существует еще частота 2,1 ГГц, но здесь доступен очень узкий диапазон – всего лишь 15 МГц, а у многих европейских мобильных операторов и того меньше - до 5 МГц. В дальнейшем, скорее всего, перспективным станет частотный диапазон 3,5 ГГц, что вызвано тем обстоятельством,  что во многих странах в данном диапазоне уже существуют сети беспроводного широкополосного доступа в Internet и переход в сеть LTE позволит операторам использовать частоту без приобретения новых дорогих лицензий. При необходимости под сети четвертого поколения могут выделяться  и другие частоты. В разных структурах сетей 4G могут использоваться частотные полосы в диапазоне 1,4 - 20 МГц. Для сравнения в стандарте  UMTS используются фиксированные полосы 5 МГц. В сетях LTE используется временное TDD (Time Division Duplex) и частотное FDD (Frequency Division Duplex) разделение сигналов. 20

Обычно базовая станция сети LTE может обслуживать зону радиусом до 5 км, хотя при необходимости за счет высокого расположения антенн базовой станции этот размер может быть увеличен  до 30 и даже до 100 км. Большим преимуществом стандарта LTE является большой выбор терминалов. Кроме сотовых телефонов могут  использоваться ноутбуки, планшетные компьютеры, видеокамеры и игровые устройства со  встроенными модулями совместимости с сетями четвертого поколения.

Технология стандарта  LTE поддерживает хэндовер и роуминг с сотовыми сетями поколений 2G и 3G, что позволяет этим устройствам быть совместимыми и с этими сетями. Структура сети 4G позволяет сразу перенаправлять звонок или интернет-сессию в сеть 3G или 2G (UMTS или GSM). Кроме того, сети стандарта LTE легко интегрируются с сетями WI-FI и Интернет.

2.5. Технология WiMAX - Worldwide Interoperability for Microwave Access

Стандарт 802.16e-2005 вобрал в себя все ранее выходившие версии и на данный момент предоставляет следующие режимы.

• Fixed WiMAX - фиксированный доступ;
• Nomadic WiMAX - сеансовый доступ;
• Portable WiMAX - доступ в режиме перемещения;
• Mobile WiMAX - мобильный доступ.

Fixed WiMAX. Фиксированный доступ представляет собой альтернативу широкополосным проводным технологиям (xDSL, T1, т.п.). Стандарт использует диапазон частот 10-66 ГГц. Этот частотный диапазон из-за сильного затухания коротких волн требует прямой видимости между передатчиком и приёмником сигнала. С другой стороны, данный частотный диапазон позволяет избежать одной из главных проблем радиосвязи - многолучевого распространения сигнала. При этом ширина каналов связи в этом частотном диапазоне довольно велика (типичное значение - 25 или 28 МГц), что позволяет достигать скоростей передачи до 120 Мбит/с. Фиксированный режим включался в версию стандарта 802.16d-2004 и уже используется в ряде стран. Однако большинство компаний, предлагающих услуги Fixed WiMAX, ожидают скорого перехода на портативный и в дальнейшем мобильный WiMAX.

 
Рисунок 2.6.1 Fixed WiMAX.

 

Nomadic WiMAX. Сеансовый (кочующий) доступ добавил понятие сессий к уже существующему Fixed WiMAX. Наличие сессий позволяет свободно перемещать клиентское оборудование между сессиями и восстанавливать соединение уже с помощью других вышек WiMAX, нежели тех, что были использованы во время предыдущей сессии. Такой режим разработан в основном для портативных устройств, таких, как ноутбуки, КПК. Введение сессий позволяет также уменьшить расход энергии клиентского устройства, что тоже немаловажно для портативных устройств.

Portable WiMAX. Для режима Portable WiMAX добавлена возможность автоматического переключения клиента от одной базовой станции WiMAX к другой без потери соединения. Однако для данного режима всё ещё ограничена скорость передвижения клиентского оборудования - 40 км/ч. Впрочем, уже в таком виде можно использовать клиентские устройства в дороге (в автомобиле при движении по жилым районам города, где скорость ограничена, на велосипеде, двигаясь пешком, т.д.). Введение данного режима сделало целесообразным использование технологии WiMAX для смартфонов и КПК. В 2006 году начат выпуск устройств, работающих в портативном режиме WiMAX. Считается, что до 2008 года внедрение и продвижение на рынок именно этого режима будет приоритетным.

Mobile WiMAX был разработан в стандарте 802.16e-2005 и позволил увеличить скорость перемещения клиентского оборудования до более 120 км/ч.

 
Рисунок 2.6.2 – Mobile WiMAX.

Основными достижениями мобильного режима можно считать нижеприведённые факторы.

1. Устойчивость к многолучевому распространению сигнала и собственным помехам.
2. Масштабируемая пропускная способность канала.
3. Технология Time Division Duplex (TDD), которая позволяет эффективно обрабатывать ассиметричный трафик и упрощает управление сложными системами антенн за счёт эстафетной передачи сессии между каналами.
4. Технология Hybrid-Automatic Repeat Request (H-ARQ), которая позволяет сохранять устойчивое соединение при резкой смене направления движения клиентского оборудования.
5. Распределение выделяемых частот и использование субканалов при высокой загрузке позволяет оптимизировать передачу данных с учётом силы сигнала клиентского оборудования.
6. Управление энергосбережением позволяет оптимизировать затраты энергии на поддержание связи портативных устройств в режиме ожидания или простоя.
7. Технология Network-Optimized Hard Handoff (HHO), которая позволяет до 50 миллисекунд и менее сократить время на переключение клиента между каналами.
8. Технология Multicast and Broadcast Service (MBS), которая объединяет функции DVB-H, MediaFLO и 3GPP E-UTRA для:
• достижения высокой скорости передачи данных с использованием одночастотной сети;
• гибкого распределения радиочастот;
• низкого потребления энергии портативными устройствами:
• быстрого переключения между каналами.
9. Технология Smart Antenna, поддерживающая субканалы и эстафетную передачу сессии между каналами, что позволяет использовать сложные системы антенн, включая формирование диаграммы направленности, простанственно-временное маркирование, пространственное мультиплексирование (уплотнение).
10. Технология Fractional Frequency Reuse, которая позволяет контролировать наложение/пересечение каналов для повторного задействования частот с минимальными потерями.
11. Размер фрейма в 5 миллисекунд создает оптимальный компромисс между надёжностью передачи данных за счёт использования малых пакетов и накладными расходами за счёт увеличения числа пакетов (и как следствие, заголовков).

Внедрение мобильной версии стандарта WiMAX в России, как и во многих других странах, усложняется невозможностью освободить уже используемые частоты и позволить их использование для интернет-вещания. На данный момент выпускаемое оборудование для сетей WiMAX поддерживает три основных диапазона: 2,5-2,7; 3,4-3,6 и 5-6 ГГц21. Введение этого разбиения на диапазоны внутри стандарта было сделано специально для упрощения лицензирования в различных странах, однако, в отличие от большинства европейских стран, где частотный диапазон 3,5 ГГц свободен, в России этот диапазон используется наземными и спутниковыми радиосистемами, в том числе военного назначения. Диапазон 2,5-2,7 ГГц занят спутниковым телевидением. Таким образом, свободным диапазоном, пригодным для стандарта WiMAX, остается только 5,725-5,850 ГГц.

Очевидно, что перспективы внедрения новой технологии и развертывания WiMAX-систем зависят от Министерства ИТ и связи РФ. В 2004 году была запущена правительственная программа по высвобождению некоторых диапазонов частот путем модернизации используемого оборудования, оптимизации алгоритмов передачи данных и последующего списывания устаревших военных систем и систем специального назначения с заменой на новое оборудование. Однако эта программа пока не принесла желаемых результатов в силу многих причин, в том числе, из-за недостаточного финансирования. Принятый закон «О связи» подразумевает выделение и раздачу диапазонов частот операторам на конкурсной основе, хотя чёткие условия оформления лицензии ещё не определены.

Разумеется, существует и другой путь внедрения высокоскоростной широкополосной технологии - выпуск «эксклюзивных» WiMAX-устройств, специально адаптированных для российского рынка. Вполне вероятно, что этим путем воспользуется ряд производителей, входящих в состав WiMAX-форума и имеющих лицензии и разрешения на создание подобного оборудования. Но следует понимать, что разработка дополнительных решений займёт время и может быть начата лишь тогда, когда произойдёт насыщение рынков других стран «стандартным» оборудованием.

На данный момент коммерческие операторы связи уже внедряют фиксированный WiMAX в нескольких странах Европы. По прогнозам аналитиков, первые коммерческие мобильные WiMAX-сети появятся не ранее 2008 года. В России эта дата откладывается до 2010 года. На данный момент те регионы, где жители обладают средствами на приобретение личных персональных компьютеров и где предприятия используют большое число компьютерной техники и испытывают необходимость в подключении к Интернету, уже оснащены оборудованием для предоставления доступа к Интернету на базе более «старших» технологий: спутникового вещания, оптоволокна, xDSL, LAN. Переход на фиксированный WiMAX в таких регионах не целесообразен, а мобильный WiMAX имеет слишком большое число технологий-конкурентов: Wi-Fi, GPRS. Малонаселённые или удалённые регионы на данный момент имеют слишком низкий уровень заработной платы, чтобы жители не только могли себе позволить оборудование и дополнительную абонентскую плату, но и вообще проявили интерес к этому вопросу.

2.6. Технология Wi-Fi

В последнее время в мировых ИТ-вестях все чаще встречаются сообщения о компаниях, использующих технологию Wi-Fi в повседневной работе или предоставляющих Wi-Fi услуги клиентам, и анонсы разных устройств со встроенной поддержкой Wi-Fi, будь то мобильные телефоны, КПК или ноутбуки. Понятно, что освоение этой технологии производится гигантскими темпами, и многие аналитики много времени назад предрекают ей взлет, который может радикально изменить сегодняшний подход к применению компьютеров и мобильных устройств. Стандарт Wi-Fi возник еще в середине 90-х и начал активно продвигаться с 2000 г.. Так или иначе, до сих пор только немногие пользователи представляют себе, что же скрывается за таинственной аббревиатурой Wi-Fi22.