CDMA и сотовые сети третьего поколения.

Как бы широко ни рекламировался беспроводной Internet, современные мобильные сети передачи данных остаются на довольно примитивном уровне. Обычно опирающиеся на предназначенные для поддержки речи сотовые телефонные системы, они не обеспечивают высокой скорости и хорошей совместимости. Однако ситуация должна измениться в течение ближайших трех лет после того, как операторы развернут мобильные сети третьего поколения (3G, см. врезку «Поколения мобильной связи»). Эти решения направлены на обеспечение скоростей пакетной передачи данных на носимый терминал порядка сотен килобит в секунду.

История сети 3G начинается в 1992 г., когда Международный союз электросвязи (International Telecom-munication Union, ITU) начал работу над стандартом IMT-2000. Аббревиатура IMT расшифровывается как «всемирная подвижная радиосвязь» (International Mobile Telecommunications), а число 2000 сначала имело три значения: год предполагаемого ввода в эксплуатацию, используемая полоса частот в мегагерцах и скорость передачи данных в килобитах в секунду. Название прижилось, хотя со временем от всех указанных критериев пришлось отказаться. Дата внедрения передвинулась на 2002 г., рекомендованные частоты уже используются в Северной Америке для других целей, а высокие скорости будут доступны лишь в ограниченных по размерам «пико-ячейках».

IMT-2000 рассматривался ITU в качестве единого мирового стандарта, однако международные регулирующие органы, производители и операторы связи не смогли прийти к согласию. Переход к 3G будет постепенным, поскольку все хотят обеспечить совместимость со своими действующими системами. Отказ Федеральной комиссии по связи (FCC) в лицензировании любого нового частотного диапазона внес дополнительные осложнения: американские операторы вынуждены обновлять свои уже существующие сети вместо построения новых.

В итоге в октябре 2000 г. представители различных стран вынуждены были очертить круг расхождений. Результатом стал «федеративный стандарт» или, выражаясь яснее, путаница. В IMT-2000 будет поддерживаться по меньшей мере три режима работы без гарантии того, что телефоны для одного режима будут совместимы с другими.

В двух из трех режимов IMT-2000 предусматривается разделение спектра частот по кодам (Code Division Multiple Access, CDMA) — метод, с помощью которого множество абонентов может одновременно использовать общую полосу частот (см. Таблицу). Каждый сигнал кодируется по-разному так, чтобы он распознавался приемником с таким же кодом. CDMA появился раньше и компьютеров, и мобильных телефонов, но до конца 90-х считался слишком сложным для применения в сотовых телефонных сетях. Многие новшества в сетях сотовой связи были внесены компанией Qualcomm, выход которой на рынок сотовых технологий напомнил историю Microsoft и Cisco Systems.

CDMA часто сравнивают с транзитным залом аэропорта, где множество людей говорят на разных языках. Каждый слушатель понимает только один язык, и поэтому сосредотачивается на своем собственном диалоге, игнорируя остальные. Однако данная аналогия не совсем точна, потому что, когда множество людей говорят одновременно, шум становится невообразимым. В результате каждый старается перекричать остальных, что еще более осложняет задачу.

Для предотвращения подобной ситуации коды CDMA подбираются так, что они гасят друг друга. Для точной компенсации сигналы должны быть идеально синхронизированы, поэтому на базовых станциях требуется проводить очень точные измерения их временных и пространственных характеристик. Это осуществляется за счет использования сигналов со спутников глобальных навигационных систем (Global Positioning System, GPS), способных определять координаты любой точки на Земле с погрешностью около 4 м и измерять время точнее, чем собственное вращение Земли.

Пока единственной эксплуатируемой системой CDMA остается cdmaOne, разработанная Qualcomm, но в настоящее время контролируемая независимой организацией под названием Группа развития CDMA (CDMA Development Group, CDG). CdmaOne была зарегистрирована TIA как стандарт IS-95a и очень популярна среди операторов сотовой связи в Америке и Азии. Поскольку в указанных регионах CDMA уже используется, ее проще обновить до 3G по сравнению с конкурирующими системами, где применяется принцип множественного доступа с разделением по времени (Time Division Multiple Access, TDMA).

В cdmaOne сигналы передаются одновременно во всем диапазоне, каждый из них распределяется по полосе шириной 1,25 МГц. Используемый при этом набор состоит из 64 кодов — так называемая последовательность Уолша, т. е. теоретически канал может обслуживать одновременно до 64 телефонов. На практике это число зависит от скорости передачи данных. Базовая система обеспечивает голосовую связь и скорость передачи данных в 14,4 Кбит/с, позволяя подключать от 15 до 20 пользователей на канал. Дополнительный стандарт IS-95b обеспечивает скорость до 115 Кбит/с, при этом количество пользователей на канал снижается до двух.

Для достижения скорости в 2 Мбит/с системам CDMA необходимо использовать больше кодов, другую схему модуляции и более широкую полосу частот. Официальным обновлением стандарта, разработанным Qualcomm и утвержденным ITU, является cdma2000 3XMC. Цифра 3 указывает на его полосу частот в 3,75 МГц, как результат объединения трех каналов cdmaOne по 1,25 МГц.

В качестве промежуточного шага большинство операторов cdmaOne внедряют технологию cdma2000 1XMC, где используются прежние каналы по 1,25 МГц. Количество кодов увеличено до 128, удваивая таким образом либо скорость в расчете на одного пользователя, либо число пользователей на канал. Qualcomm и Motorola также продвигают конкурирующие схемы для расширения возможностей 1XMC, известные как High Data Rate (HDR) и 1Xtreme.

В 1Xtreme и HDR изменен тип модуляции, т. е. метод представления данных при передаче по радиоволнам. В большинстве сотовых телефонов используется фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK), при которой сигнал переводится с одной волны на другую по циклу. Скорость передачи информации зависит от частоты таких прерываний, называемых символами, и от количества возможных для каждого символа фигур.

Символы в квадратурном PSK — используемом в cdmaOne способе модуляции — могут принимать вид четырех различных фигур. Это значит, что каждая фигура представляет два бита, так как два бита могут образовать четыре комбинации. Три бита на символ могут быть представлены разновидностью 8-PSK, в результате чего скорость передачи данных возрастает вдвое. HDR и 1Xtreme предусматривают автоматическое увеличение количества фигур до максимального поддерживаемого количества, в зависимости от качества соединения: при плохой связи система не в состоянии использовать много фигур на символ из-за трудности распознавания.

Еще более запутывает ситуацию принятие во многих странах принципиально новой системы — широкополосного CDMA (Wideband CDMA, W-CDMA), или универсальной системы мобильной связи (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS). Она предполагает выделение ITU нового частотного диапазона и поэтому не может использоваться в США. Технически она очень близка к cdma2000 3XMC, но в соответствии со своим названием задействует несколько более широкую полосу частот. Последнее необходимо для обеспечения совместимости системы с глобальной системой подвижной связи (Global System for Mobile Communications, GSM), популярным стандартом второго поколения (2G).

Хотя стандарт W-CDMA не является прямым продолжением GSM, он разрабатывался для применения в регионах, где уже имеется развитая инфраструктура сетей GSM. Теоретически операторы могут организовать «очаги» W-CDMA в больших городах и продолжать использовать GSM на остальной территории. Все продаваемые в Европе телефоны стандарта W-CDMA будут работать с GSM; они будут способны даже передавать сигнал так, что пользователи смогут перемещаться между ячейками разных систем без разрыва связи.

Даже в странах, где GSM не является доминирующим стандартом, W-CDMA, вероятно, будет пользоваться популярностью, потому что он обеспечивает моментальный охват абонентов почти по всему миру. Например, Япония, где о GSM и не слышали, разворачивает первые в мире сети W-CDMA, потому что действующая там персональная цифровая сотовая система (Personal Digital Cellular, PDC) достигла пределов своих возможностей. Операторы мобильной связи NTT DoCoMo и J-Phone начали испытания сетей в начале 2000 г. и рассчитывают начать коммерческую эксплуатацию в течение 2001 г.

Не все системы 3G используют CDMA. В третьем варианте IMT-2000 под названием EDGE применяются такие же трюки с модуляцией, как и HDR в технологии пакетной передачи данных (General Packet Radio Service, GPRS, см. статью «Пакетный радиосервис» в сентябрьском номере LAN за этот год) на базе TDMA. GRPS требуется операторам GSM и D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone System), не имеющим лицензии для использования новых частот, включая всех операторов мобильной связи в США, где FCC не выдает подобных лицензий.

Для EDGE, как и для GSM, ширина канала должна составлять 200 кГц. Это обстоятельство создает трудности для операторов D-AMPS, привыкших использовать каналы по 30 кГц, но альтернатива выглядит еще менее привлекательной: системам CDMA требуется полоса шириной минимум 1,25 МГц, что может оказаться непосильной задачей для действующих загруженных сетей. Кроме того, телефоны проще изготавливать с поддержкой двух систем TDMA вместо совмещения CDMA и TDMA, хотя европейским производителям все равно придется решать данную проблему для обеспечения совместимости UMTS с GSM.

На всех уровнях выше второго EDGE фактически наследует все особенности GSM и GPRS. При радиопередаче Гауссова модуляция с минимальным сдвигом (Gaussian Minimum Shift Keying, GMSK) заменяется на 8-PSK. GMSK представляет собой двоичную систему, позволяющую передавать только один бит на символ по сравнению с тремя битами в 8-PSK. Скорость передачи необработанных данных таким образом утраивается — со 171 Кбит/с в GPRS до 513 Кбит/с в 8-PSK. Ввиду необходимости исправления ошибок реальная скорость будет меньше и может принимать девять различных значений в зависимости от качества связи.

Кроме того, терминалы могут представлять собой одну из 29 разновидностей; каждый класс предоставляет пользователям доступ к каналу в различное время при передаче и приеме по отдельности или одновременно. В результате пользователи получают доступ к широкому диапазону скоростей, от 8,8 до 474 Кбит/с. Это не вполне соответствует изначальному списку пожеланий для IMT-2000, но, несмотря на данное обстоятельство, стандарт был утвержден ITU с учетом того, что требование к скорости в 2 Мбит/с может быть выполнено при комбинировании данного стандарта с технологией беспроводных локальных сетей.

Энди Дорнан — старший редактор Network Magazine. С ним можно связаться по адресу: andy@excite.co.uk.

1-е поколение (1G) — аналоговая голосовая связь

2-е поколение (2G) — цифровая голосовая связь и передача сообщений

3-е поколение (3G) — широкополосная передача данных и голоса по IP (Voice over IP, VoIP)

Прислушайтесь! Системы множественного доступа с кодовым разделением (CDMA) обеспечивают совместное использование одной полосы частот одновременно многими пользователями. В настоящий момент cdmaOne является единственной эксплуатируемой системой такого типа.

На официальном узле IMT-2000 по адресу: http://www.itu.int/imt2000/, содержится большой объем общей информации о процессе стандартизации.

Third Generation Partnership Project — это альянс поставщиков и регулирующих органов, пытающийся оставаться нейтральным в войне стандартов. Его узел Web расположен по адресу: http://www.3gpp.org.

Узел CDMA Development Group (http://www.cdg.org) продвигает все виды CDMA и предоставляет подробную математическую информацию о том, как эта технология работает.

Многочисленные сведения о европейской широкополосной системе Wideband CDMA (W-CDMA) можно найти на http://www.umts-forum.org.

На узле Universal Wireless Communicatins Consortium по адресу: http://www.uwcc.org: объясняется, как работает EDGE, и рассматривается TDMA как технология третьего поколения.