Протоколы беспроводных сетей городского масштаба

 

В настоящее время можно говорить о решенности проблемы «последней мили» для домашних пользователей. Но если относительно недавно такие массовые решения однозначно ассоциировались с проводными технологиями (кабельные модемы, ADSL, тот же Ethernet), то сейчас (по состоянию на 2010 год) все чаще в качестве альтернативы называются и беспроводные решения. Пока они еще не могут конкурировать с проводными решениями по стоимости трафика, но имеют при этом такое неоспоримое преимущество, как возможность обеспечить мобильность своим абонентам.

ADSL пришел в дома пользователей по проводам операторов стационарной телефонной связи. Аналогично, операторы сетей мобильной (сотовой) телефонии, опираясь на развитие используемых технологий, предлагают все более интересные и конкурентные решения для беспроводных подключений с допустимым удалением от базовых станций от нескольких сотен метров до нескольких километров.

Технологии мобильной связи принято делить на несколько поколений с обозначением NG (1G, 2G, …. 4G), где G первая буква английского слова generation, которое и переводится на русский язык как «поколение».

Первое поколение (1G) использовало чисто аналоговые технологии и, как и аналоговая проводная телефония, было мало пригодно для передачи данных.

Второе поколение стандартов мобильной связи (сети 2G, к которым относятся и широко используемый в России стандарт GSM - Global System for Mobile Communications) уже опирались на цифровые технологии кодирования информации. Но это были все еще сети класса PSTN (Public Switched Telephone Network) – телефонные сети общего пользования. Передача данных в них (для GSM) была возможна со скоростью не более 9,6 Кбит/сек.

С появлением у пользователей мобильных устройств интереса к передаче именно данных были предприняты усилия в этом направлении. Основной идеей было обеспечить пользователю возможность более полно использовать ресурсы сети. Ресурсы, необходимые для передачи голосового трафика нескольким пользователям, могли обеспечить достаточно высокую скорость передачи данных, если их задействовать для обслуживания одного пользователя.

Для сетей GSM первым таким стандартом-надстройкой был GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) с декларированным теоретическим максимумом скорости передачи данных до 171,2 Кбит/сек. Следующим стандартом стал EDGE (EGPRS) (Enhanced Data rates for GSM Evolution), расширяющий возможности GPRS до 474 Кбит/сек в качестве теоретического предела.

Сети, в которых реализованы указанные протоколы, фактически совмещают в себе функции сети PSTN и сети пакетной передачи данных. Их принято условно квалифицировать как сети поколений 2.5G и 2.75G.

Больших успехов данные технологии не снискали, поскольку реальные скорости были намного меньше а стоимость предоставляемых услуг весьма высока.

В мобильных сетях связи используются различные частотные диапазоны: 850/900/1800/1900 МГц. Существенным обстоятельством является то, что в зоне работы базовой станции абонентские терминалы (телефоны, модемы) конкурируют друг с другом, разделяя единый частотный ресурс. Обычным приемом для решения этой проблемы является разделение выделенной полосы частот на отдельные поддиапазоны. При разработке стандарта GSM в качестве способа дополнительного деления этого ресурса был выбран TDMA (Time Division Multiple Access — множественный доступ с разделением по времени). Это способ использования радиочастот, когда в одном частотном диапазоне нескольким абонентам предоставляются разные временные интервалы (тайм слоты). Стандарт EDGE полностью исчерпал возможности GSM.

Однако параллельно существовала технология CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением). При использовании данной технологии все абоненты работают в одном широком частотном диапазоне, при этом сигнал каждого растягивается на весь этот широкий диапазон рассмотренным нами методом прямой последовательности (DSSS), но вот кодовая комбинация для каждого абонента используется своя. Это позволяет базовой станции из общего шумоподобного сигнала выделять потоки данных каждого абонента, а абоненту, соответственно, предназначенный ему поток данных.

В сетях 2G, работавших по технологии CDMA, использовались частотные диапазоны шириной в 1,25 МГц, в то время как в GSM только 0,2 МГц.

Для дальнейшего увеличения скорости передачи данных в качестве способа обмена данными между базовыми станциями и мобильными пользователями (в том числе и «атмосферный участок» в сетях GSM) был выбран CDMA с очень широким частотным диапазоном в 5,0 МГЦ, названный WCDMA. Такие сети позволяют передавать данные со скоростью до примерно 2 Мбит/сек и называются сетями 3G.

Если быть точным, то определение мобильной сети третьего поколения было сформулировано ITU (международным союзом электросвязи) в концепции IMT-2000 (International Mobile Telecommunications -2000), формировавшейся еще с середины 80-х годов прошлого века. Согласно стандартам IMT-2000, под мобильной связью третьего поколения 3G понимается интегрированная сеть, обеспечивающая среди прочего следующие скорости передачи данных: для абонентов с высокой мобильностью (до 120 км/ч) – не менее 144 кбит/с, для абонентов с низкой мобильностью (до 3 км/ч) – 384 кбит/с, для неподвижных объектов на коротких расстояниях – 2,048 Мбит/с.

Требования к сетям 3G отнюдь не сводятся к скоростным характеристикам. Основной задачей IMT-2000 было обеспечение глобального универсального сервиса высокого качества мобильным пользователям. Если конкретная технология этим требованиям удовлетворяет, она получает право причислять себя к поколению 3G.

Из самого названия видно, что разработчики IMT-2000 рассчитывали на реализацию закладываемых возможностей в районе 2000 года. Действительно, первая сеть, получившая право называться сетью третьего поколения, была развернута в 2001 году в Японии.

В настоящее время ITU работает над комплектом стандартов IMT-Advanced (усовершенствованные системы международной подвижной связи) – системы подвижной связи, обладающие новыми возможностями, которые превосходят возможности систем IMT-2000. Технологии, удовлетворяющие этим новым требованиям, относят к четвертому поколению мобильной связи (4G). Основные требования, предъявляемые к нему:

- высокая степень унификации выполняемых функций в глобальном масштабе;

- совместимость услуг в рамках IMT и с фиксированными сетями;

- возможность взаимодействия с другими системами радиодоступа;

- оборудование пользователя, пригодное для использования по всему миру;

- возможность всемирного роуминга;

- скорости передачи данных с повышенными пиковыми уровнями для обеспечения более совершенных услуг и применений (100 Мбит/с для высокой мобильности и 1 Гбит/с для низкой мобильности).

Основными претендентами на право быть отнесенными к четвертому поколению сегодня являются WiMAX и LTE.

Первый своим появлением обязан компьютерной индустрии. Спецификация для варианта этой технологии, способного обслуживать мобильных абонентов, была разработана подкомитетом 802.16 института IEEE (спецификация 802.16-2005 или 802.16e). Рабочая группа 802.16 была создана IEEE в 1999 году для разработки стандартов на беспроводные широкополосные сети передачи данных «городского» масштаба. Ориентированный изначально на решение проблемы «последней мили» для доступа в интернет, WiMAX оказался в состоянии предоставлять полный набор сервисов сети 4G.

Более молодой стандарт LTE разработан организацией 3GPP (3rd Generation Partnership Project), созданной в 1998 году и объединяющей организации телекоммуникационной отрасли. Полное название этого стандарта 3GPP Long Term Evolution можно перевести как долговременная инициатива по развитию (беспроводных систем мобильной связи). Он потенциально может обеспечить несколько большие чем WiMAX скорости, но главное его преимущество заключается в больших возможностях по использованию уже имеющейся у операторов инфраструктуры.

Поэтому хотя LTE и появился несколько позднее, когда инсталляция сетей WiMAX уже активно осуществлялась, его перспективы выглядят более предпочтительно.