Стандарты сотовой (мобильной) связи

ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И
ПЕСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОТОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ
1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ СОТОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ
Среди современных телекоммуникационных сетей последние два
десятилетия наиболее стремительно как в мире, так и в Украине развиваются
сети сотовой радиосвязи. Их воплощение позволяет решить проблему “связь в
любом месте в любое время” и решить ряд сопутствующих задач
относительно:
эффективного использования выделенных (арендованных) оператором
сотовой связи полосы радиочастот;
повышение качества обслуживания абонентов (речь, видео, мобильный
Интернет и т.п.) за счет увеличения пропускной способности.
Свое название сети мобильной связи получили в 70-е годы 20-го века в
соответствии с принятием сотового принципа организации связи, согласно
которого зона обслуживания абонентов делится на ячейки (соты) (рис.1).
Рис.1.
Для оптимального перекрытия радиосвязью территории могут быть
использованы только три геометрические фигуры: треугольник, квадрат и
шестиугольник. Наиболее подходящей, с точки зрения радиосвязи, фигурой
является шестиугольник (сота), потому что, если антенну с круговой
диаграммой направленности устанавливать в его центре, то будет обеспечен
доступ почти ко всем участкам соты [1, 3, 7].
Коротко рассмотрим принципы построения сотовых систем связи (рис. 2).
Каждая сота обслуживается многоканальным прийомопередатчиком,
который, называется базовой станцией. Она служит своеобразным интерфейсом
(стыком) между сотовым телефоном и центром коммутации связи, где роль
проводов обычной телефонной сети выполняют радиоволны. Число каналов
базовой станции обычно кратное 8, например, 8, 16, 32. Один из каналов
является управляющим (control channel). В этом канале происходит
непосредственное установление соединения при вызове, подвижного абонента
сети, а сам разговор начинается только после того, как будет найден свободный
в этот момент канал и состоится переключения на него. Все эти процессы
происходят очень быстро и поэтому незаметно для абонента. Абонент лишь
набирает нужный ему телефонный номер и разговаривает, как по обычному
телефону.
Рис. 2.
Все базовые станции, соединенные с центром коммутации подвижной
связи (коммутатором) по выделенным проводным или радиорелейным каналам
связи. Центр коммутации MSC - это автоматическая телефонная станция
системы сотовой связи, которая обеспечивает все функции управления сетью.
Она осуществляет постоянное наблюдение за подвижными станциями,
организует их эстафетную передачу, в процессе которой достигается
непрерывность связи при перемещении подвижной станции с соты в соту и
переключение рабочих каналов, делает соединение подвижного абонента с тем,
кто ему необходим в обычной телефонной сети и др.
Появлению сотовых сетей связи (ССС) предшествовал длинный период
эволюционного развития систем радиосвязи, на протяжении которого
осваивались новые частотные диапазоны, и совершенствовалась техника связи
(рис. 3) [4, 5].
Рис. 3.
В 1982 году CEPT (Conference of European Posts and Telegraphs) с целью
изучения и разработки общеевропейской системы сотовой подвижной связи
общего пользования создала рабочую группу, которая получила название GSM
(Groupe Special Mobile). Разрабатываемая система связи должная была
удовлетворять следующим критериям:
высокое качество передачи речевой информации;
низкая стоимость оборудования и оказываемых услуг;
возможность поддержки портативного оборудования пользователя;
поддержка ряда новых услуг телекоммуникаций;
эффективность использования выделенной полосы частот;
совместимость с ISDN (Integrated Services Digital Network);
поддержка международного роуминга, то есть возможности
использования абонентом своего мобильного телефона при перемещении в
другую сеть GSM.
В 1989 году дело создания GSM перешло к ETSI (European
Telecommunication Standards Institute), а в 1990 году были опубликованы
спецификации первой фазы GSM.
2. ОБЗОР
БАЗОВЫХ
СОТОВЫХ СЕТЕЙ
ТЕХНОЛОГИЙ
СОВРЕМЕННЫХ
Следует особо отметить, что в сотовой связи смена поколений выражена
намного более ярко, чем, скажем, в индустрии персональных компьютеров или
другой подобной техники. В мобильном мире все четко: 1G (первое поколение)
– это аналоговая связь (стандарт NMT), 2G – поколение цифровой связи с
коммутацией каналов (стандарты GSM и CDMA), Третье поколение – 3G
(стандарт ІMT-2000) – предусматривает наряду с коммутацией каналов и
пакетную передачу данных. О мобильной связи 3G сейчас много говорят
буквально как о символе прогресса. Но на наших глазах происходит
удивительная вещь: вперед вырывается уже следующее поколение сотовой
связи, именуемое 4G (WiMAX, Wi-Fi, LTE). Если так пойдет и дальше, то сети
3G так и не разовьются в полную силу – их место займет 4G. Но обо всем по
порядку.
Проведем обзор базовых технологий современных сотовых сетей [1, 3, 7].
Поколение сотовых сетей связи и этапы их развития представлены на
рис. 4.
К аналоговым сотовых сетей связи относятся следующие стандарты:
AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная мобильная
телефонная служба, диапазон 800 МГц) – широко используется в США, Канаде,
Центральной и Южной Америке, Австралии. Это наиболее распространенный
стандарт в мире. Начало коммерческого применения – 1983 год. По состоянию
на начало 1999 года ССЗ стандарта AMPS использовались в 95 странах мира
(вместе со своей цифровой модификацией D-AMPS). Стандарт имеет
модификацию NAMPS (Narrow AMPS (узкополосная AMPS);
4-е поколение
Wi-Fi
WiMAX
Wi-Fi
LTE
Рис. 4. Поколение сотовых сетей связи и этапы их развития
TACS (Total Access Communications System – общедоступная система
связи ,диапазон 900 МГц) – используется в Англии, Италии, Испании, Австрии,
Ирландии, Японии и других странах с модификациями ETACS (Enhanced
TACS – усовершенствованный TACS) (Англия), JTACS (Japanese TACS –
японская TACS) (Япония), NTACS (Narrow TACS (узкополосная TACS).
Второй по применению стандарт среди аналоговых систем. Начало
коммерческого применения 1985 год. Модификации стандарта отличаются одна
от одной по диапазону частот, который используется, ширине полосы частот
канала и др.;
NMT-450 и NMT-900 (Nordic Mobile Telephone system – Cкандинавська
система мобильной телефонной связи, диапазоны 450 и 900 Мгц) –
используется в Скандинавии и во многих других странах Западной и Восточной
Европы и ряде других регионов мира. Третьей по применению среди
аналоговых стандартов, нашел широкое распространение и в Украине. Начало
коммерческого использования – 1991 год (NMT-450) и 1996 год (NMT-900).
Существует модификация стандарта NMT-450 с усовершенствованной
системой аутентификации NMT-450i (improved – улучшенный );
С-450 (диапазон 450 МГц) – используется в Германии и Португалии;
RTMS (Radio Telephone Mobile System – мобильная радиотелефонная
система, диапазон 450 МГц) – используется в Италии;
Radiocom-2000 (диапазон 170, 200, 400 МГц) – используется в Франции;
NTT (Nippon Telephone and Telegraph System – японская система телефона
и телеграфа, диапазон 800-900 МГц) – используется в Японии.
Со всех перечисленных аналоговых стандартов самое большое
распространение получили AMPS, TACS и NMT.
Характеристики сотовых сетей связи основных аналоговых стандартов
представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи
Характеристика
и ее размерность
Диапазон рабочих частот,
МГц:
для передачи мобильной
станцией
NMT450
(NMT450i)
AMPS
(NAMPS)
TACS
(ETACS)
NMT900
Radiocom2000
825-845
935-950 453-457,5 935-960 424,8-427,9
(917-933)
(453890-905
457,5) 890-915 418,8-421,9
(872-888) 463-467,5
(872-888)
NTT
925-940
870-885
для передачи базовой
станцией
870-890
Радиус сот, км
Ширина полосы частот канала,
кГц
Дуплексный разнос каналов,
МГц
2…20
2…20
15…40
2…20
5…20
5…10
30 (10)
25
25 (20)
25/12,5
12,5
25
45
45
10
45
6
55
600
(640)
180
(225)
1000/1999
256
до 1000
45
50
до 50
до 25
до 25
25
12; 1
н/д
н/д
н/д
250
290
н/д
800
Число частотных каналов, од. 666 (2000)
Мощность передатчика
базовой
станции, Вт
Мощность передатчика
подвижной
станции, Вт
Время переключения канала
на границе сот, мс
15; 1,5;
6; 1; 0,1
0,15
1250
270
Примечание: н/д - нет данных.
Во всех аналоговых стандартах используется частотная (ЧМ) или фазовая
(ФМ) модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи
информации управления.
В связи с этим аналоговые стандарты имеют ряд существенных
недостатков:
возможность прослушивания разговоров другими абонентами;
отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов из-за
влияния окружающего ландшафта и домов или вследствие перемещения
абонентов;
несовместимость разных стандартов между собой, невозможность
взаимодействия с цифровыми сетями с интеграцией служб ISDN (Integrated
Service Digital Network) и сетями пакетной передачи данных PDN (Packet Data
Network);
низкая канальная емкость, что является следствием недостаточно
рационального использования выделенной полосы частот при частотном
разнесении каналов.
Перечисленные недостатки обусловили появление цифровых сотовых
сетей связи. Переход к цифровым системам также стимулировался широким
воплощением цифровой техники в область радиосвязи.
Характеристики сотовых сетей связи основных цифровых стандартов
представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Характеристики цифровых стандартов сотовой связи
Характеристика
и ее размерность
Диапазон рабочих частот,
МГц:
для передачи мобильной
станцией
для передачи базовой
станцией
Радиус сот, км
Дуплексное разнесение
каналов, МГц
Ширина полосы частот
радиоканала, кГц
Число частотных каналов
(несущих), од.
Число каналов на одну
несущую, ед.
Скорость преобразования
речи, кбит/с
Скорость передачи
информации в радиоканале,
кбит/с
Скорость передачи
информации в физическом
канале, кбит/с
GSM-800/
1800/1900
890-915/
1710-1785/
1850-1910
935-960/
1805-1880/
1930-1990
GSM-800
(0,5…35);
GSM-1800/1900
(0,5…6)
D-AMPS
(IS-136)
PDC
824-849; 810-826;
1750-1810 1429-1453;
1477-1489
869-894; 940-956;
1830-1890 1477-1501;
1501-1513
CDMA
(IS-95)
824-849
869-894
0,5…20
0,5…20
0,5…25
45/95/80
45
130; 48; 24
45
200
30
50 (25)
1288,8
124/374/239
832
320 (640);
480 (960);
240 (480)
20
8 или 16
3 или 6
3 или 6
66
13 или 6,5
8
11,2 или
5,6
13 или 8,55
270,833
48,6
42
1288,8
9,6; 14,4
нет
1,2; 2,4; 4,8;
нет данных
данных
9,6; 14,4
Рассмотрим основные цифровые стандарты сотовых сетей связи.
D-AMPS (Digital AMPS  цифровой AMPS, диапазоны 800 и 1800 МГц) 
широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке,
Австралии, нашел распространение и в Украине. Первый по применению в
мире стандарт цифровой сотовой связи, представляет собой аналого-цифровую,
ССС диапазона 800 МГц. Начало практического использования относится к
1992 году. Усовершенствованная версия данного стандарта ІS-136  полностью
цифровая ССС диапазона 800 и 1800 МГц, совместная с АMPS, начала
применяться с 1996 года.
GSM (Global System for Mobile communication  глобальная система
сотовой связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц)  общеевропейский стандарт
сотовой связи, используется больше, чем в 130 странах мира, в том числе и в
Украине, второй по применению среди цифровых стандартов ССС.
Практическое применение стандарта GSM-900 началось в 1991 году.
Усовершенствование данного стандарта привело к освоению нового частотного
диапазона 1800 МГц, в котором благодаря более широкой рабочей полосе
частотного диапазона в объединении с меньшими размерами сот удается
строить ССС со значительно большей емкостью. Сначала данная версия
называлась PCN (Personal Communication Network  сеть персональной связи),
потом DCS (Digital Cellular System  цифровая система сотовой связи), через
три года после начала эксплуатации (1993 год) была переименована в GSM1800.
Эволюция стандарта GSM длится. Так, сообществом GSM были начатые
и успешно реализуются шаги в направлении создания ССС переходного
“поколение 2,5” (2,5G), что характеризуются тремя основными дополнениями к
базовому стандарту:
первое, что обозначается аббревиатурой HSCSD (High-Speed CircuitSwitched Data - высокоскоростная передача данных в сетях подвижной
радиосвязи с коммутацией каналов), заключаться в предоставлении одному и
поэтому же пользователю несколько слотов в GSM-кадре;
второе  GPRS (General Packet Radio Service  пакетная коммутация в
сетях подвижной радиосвязи) предусматривает организацию специального
канала пакетной передачи со скоростями до 115 кбит/с (или выше, но без
помехоустойчивого кодирования) и Packetgsm (пакетный GSM), что предлагает
пакетную передачу речи с помощью технологии Vogprs (языковой GPRS) и
данных по ССС GSM-стандарта;
третье  ЕDGE (Enhanced Data Rates for Global Evolution (улучшенная
скорость передачи данных для глобальной эволюции систем подвижной
радиосвязи) предусматривает введение, рядом с гаусовскою модуляцией с
минимальным частотным сдвигом, дополнительного модуляционного формата:
восьмиуровневой ФМ, что утраивает этих мер позволила повысить скорость
передачи до 384 кбит/с.
PDC (Personal Digital Cellular  персональная цифровая сотовая связь,
диапазоны 800, 1400 и 1500 МГц)  используется в Японии и имеет
возможность работы в нескольких диапазонах частот. Хотя стандарт PDC
используется только в Японии, его абонентская база составляет 20 % от
общемирового числа абонентов.
CDMA (Code Division Multiple Access  стандарт множественного
доступа с кодовым разделением каналов, диапазоны частот 800, 1900 и 2000
МГц)  используется в США, Южной Корее, Гонконге и в последнее время
находит все более широкое применение в странах Европы и в мире в целом.
Существует в нескольких версиях. Наиболее распространенная с них  cdmaone
или диапазона 800 МГц, практическое применение которой, началось в
1995 году (Гонконг). В США ССС стандарта IS-95 используют диапазон
1900 МГц. Стандарт IS-95 имеет несколько версий, которые отличаются одна
от одной, в основном, скоростями передачи информации в физическом канале:
IS-95А, скорость передачи информации – 9,6 кбит/с (с кодированием) и
14,4 кбит/с (без кодирования). В настоящее время это наиболее
распространенная версия;
IS-95B, скорость передачи информации  от 28,8 до 115,2 кбит/с (без
кодирования);
IS-95C со скоростью передачи информации до 144 кбит/с (без
кодирования);
IS-95HDR (High Data Rate  высокая скорость передачи данных) со
скоростью передачи информации до 1 Мбит/с в прямом канале (канал БС-МС)
и в обратном канале (канал МС-БС) такой же, как и для IS-95C (до 144 кбит/с).
При этом важным моментом, который нужно отметить отдельно, есть то,
что при разработке выше перечисленных версий стандарта IS-95 необходимым
условием было обеспечение взаимной совместимости оборудования ССС на
базе каждой следующей версии с оборудованием ССС предыдущих версий.
Другие версии стандарта СDMA, что предложенные и воплощаются
разными компаниями  B-CDMA (компания Inter Digital), FH-CDMA (компания
Tadiran Communications), cdma2000 (компании Qualcomm, Lucent и Motorola).
Отдельно нужно отметить стандарты СDMA, что разрабатываются согласно
концепции по созданию международной системы мобильной связи 3-го
поколение IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) в рамках
соответствующих проектов и одноименных им стандартов:
европейского UTRA-FDD (Universal Terrestrial Radio Access - Frequency
Division Duplex  универсальный радиодоступ с дуплексной передачей на
основе частотного разделения каналов) и японского W-CDMA (Wideband
CDMA  широкополосный CDMA), что будут иметь общий стандарт
радиоинтерфейсу IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread  радиоинтерфейс ІМТ-2000
с прямым расширением спектру). Оба проекта основанные на использовании
технологии W-CDMA FDD (W-СDMA Frequency Division Duplex - W-СDMA с
частотным дуплексным разнесением каналов) с прямым расширением спектру,
ориентированной на работу в парных полосах частот. Системы ССС с
радиоинтерфейсом IMT-DS работают в диапазоне 2000 МГц;
европейского UTRA-ADD (Universal Terrestrial Radio Access  Time
Division Duplex  универсальный радиодоступ с дуплексной передачей на
основе временного разделения каналов) и китайского TD-SCDMA (Time
Division - Space CDMA  CDMA с временным и пространственным
разделениям каналов), что будут иметь общий стандарт радио-интерфейса IMTTС (IMT-2000 Time Code  радио-интерфейс ІМТ-2000 с временным прямым
расширением спектру). Оба проекта основанные на использовании технологии
W-CDMA ТDD ( W-СDMA Time Division Duplex  W-СDMA с временным
дуплексным разнесением каналов) с прямым расширением спектра. Системы
ССС с радио-интерфейсом IMT-ТS работают в диапазоне 2000 МГц;
cdma2000, представленного США и максимально приближенного к
cdmaone (IS-95), со стандартом радио-интерфейсу IMT-МС (IMT-200 Multicarrier  радио-интерфейс ІМТ-2000 с многими несущими частотами). Проект
основан на использовании технологии W-CDMA FDD с одновременной
передачей сигналов на нескольких несущих частотах, ориентированной на
работу в непарных полосах частот. Системы ССС с радио-интерфейсом IMTМС работают в диапазоне 800 и 1900 МГц.
3. ПЕСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ СОТОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ
3.1. Перспективы развития 3G сотовых сетей.
Принципиальное отличие технологии 3-го поколения от предыдущих 
возможность обеспечить весь спектр современных услуг (передачу речи, работу
в режиме коммутации каналов и коммутации пакетов взаимодействие с
приложениями internet, симметричную и асимметричную передачу информации
с высоким качеством связи) и в то же время гарантировать совместимость с
существующими системами.
Говоря о системах 3-го поколения, услуги принято делить на две группы:
немультимедийные (узкополосная передача речи, низкоскоростная
передача данных;
мультимедийные (асимметричные и интерактивные услуги).
Новым качеством этих систем является также то, что они позволяют
компаниям-операторам самостоятельно разрабатывать приложения, функции и
услуги, ориентируясь на требования конкретного региона и рост спроса на
определенные услуги. Изучение тенденций развития мультимедийной
подвижной связи позволяет прогнозировать значительное увеличение числа ее
пользователей. По данным UMTS-форума, из 250 млн. абонентов Европы доля
потребителей услуг связи 3-го поколения в 2009 г. составит 20% (50 млн.
абонентов).
Прогнозы показывают, что определяющей тенденцией начавшегося
процесса конвергенции услуг фиксированной и мобильной связи станет
слияние мобильной связи с другими технологиями. Сотовые телефоны с
"электронным компасом" для определения местоположения вскоре станут
незаменимыми помощниками автомобилистов. Но наибольших успехов следует
ожидать в области электронной коммерции. Будет значительно расширен объем
банковских услуг, получаемых непосредственно с помощью мобильного
телефона. В их число войдут платные информационно-справочные услуги,
различные виды электронных платежей (оплата авиабилетов, парковок) и
банковских операций с портативных или мобильных сотовых телефонов, что
превратит их фактически в "карманные банкоматы".
Сегодня уже очевидно, что окончательному внедрению систем 3-го
поколения будет предшествовать очень продолжительный период их
совместного существования с системами 2-го поколения. Благодаря различиям
в наборе и стоимости предоставляемых услуг новые технологии будут не
конкурировать со старыми, а дополнять их.
Однако развития систем сотовой связи не стоит на месте. Уже очевидно,
что окончательному внедрению систем 3-го поколения заметно составляют
конкуренцию сотовые сети 4-го поколения, т.е. 4G.
3.2. Перспективы развития 4G сотовых сетей.
К семейству 4G, как правило, относят технологии, которые позволяют
передавать данные в сотовых сетях со скоростью выше 100 Мбит/сек. В
широком понимании 4G – это еще и технологии беспроводной передачи
интернет-данных Wi-Fi (скоростные варианты этого стандарта) и WiMAX (в
теории скорость передачи информации может превышать 1 Гбит/сек). В
наиболее распространенном сейчас в мире стандарте сотовой связи GSM/EDGE
(2G) предел скорости передачи данных составляет, всего 240 кбит/сек [1, 2].
WiMax – это технология, которую объявили будущим беспроводных
сетевых технологий дальнего действия. Правда, позднее такие ассоциации
стали считаться преувеличенными благодаря развитию технологии под
названием Long Term Evolution (LTE).
WiMax – это стандарт ассоциации Institute of Electrical and Electronics
Engineers (IEEE) под номером 802.16. В 2001 IEEE выпустил стандарт 802.16
для широкополосного беспроводного доступа. Вскоре после этого был открыт
форум WiMax для продвижения стандарта, и тогда же родился термин WiMax.
Главное отличие сетей четвертого поколения 4G от предыдущего,
третьего, заключается в том, что эта технология полностью основана на
протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе
передачу, как голосового трафика в режиме коммутации каналов, так и пакетов
данных.
Международный союз телекоммуникаций определяет технологию 4G как
технологию беспроводной коммуникации, которая позволяет достичь скорости
передачи данных до 1 Гбит/с в условиях движения источника или приемника и
до 100 Мбит/с в условиях обмена данными между двумя мобильными
устройствами. Пересылка данных в 4G осуществляется по протоколу IPv6 (IP
версии 6). Это заметно облегчает работу сетей, особенно если они различных
типов. Для обеспечения необходимой скорости передачи используются частоты
от 2 до 40 и 60 ГГц.
Создатели приемопередающего оборудования для 4G применили
испытанный в цифровом вещании прием – технологию мультиплексирования с
ортогональным разделением частот (OFDM). Такая методика манипулирования
сигналом позволяет значительно «уплотнить» данные без взаимных помех и
искажений. При этом происходит разбиение по частотам с соблюдением
ортогональности: максимум каждой несущей волны приходится на тот момент,
когда соседние имеют нулевое значение. Этим исключается их взаимодействие,
а также более эффективно используется частотный спектр – не нужны
защитные «противоинтерференционные» полосы. Для передачи сигнала
применяется модуляция со сдвигом фазы (PSK и ее разновидности), при
которой пересылается больше информации за отрезок времени, или квадратно
амплитудная (QAM), более современная и позволяющая выжать максимум из
пропускной способности канала. Конкретный тип выбирается в зависимости от
требуемой скорости и условий приема. Сигнал разбивается на определенное
количество параллельных потоков при передаче и собирается при приеме [2].
Для уверенного приема и передачи на сверхвысоких частотах планируют
применять так называемые адаптивные антенны, которые смогут
подстраиваться под конкретную базовую станцию. Но в условиях города таким
антеннам в определении правильного направления могут помешать замирания
сигнала – его искажения, возникающие в процессе распространения. Здесь
выручает еще одна особенность OFDM – стойкость к замираниям (для разных
типов модуляции есть свой запас на замирания). Возможна и работа в условиях
отсутствия прямой видимости, что так мешает телефонам стандарта GSM.
Недостатки ODFM – чувствительность к доплеровским искажениям и
требовательность к качеству электронных компонентов [2-4].
Перспективы развития WiMax в мире
Сети WiMAX уже успешно работают в 147 странах мира, в том числе в
Украине. Доступ четвертого поколения в интернет предоставляют 568
компаний. Более 620 миллионов пользователей живут в зоне покрытия сетей
четвертого поколения. До конца 2010 года сети WiMAX охватят 800 миллионов
пользователей. К концу 2011 года их число превысит миллиард. Все страны
работают в стандартах 2,3/2,5 ГГц и 3,5 ГГц. Одиннадцать ведущих
производителей компьютерной техники представляют более 100 моделей
ноутбуков, поддерживающих технологию WiMAX (см. рис.5).
Рис.5. Сети WiMAX в мире
Появление ноутбуков со встроенным WiMAX-адаптером – важный шаг в
повышении доступности технологии 4G (см. рис. 6). Теперь каждый покупатель
ноутбука или нетбука может в любой момент воспользоваться мобильным
широкополосным интернетом. Это не только видео-звонки, онлайн телевидение
и другие мультимедийные развлечения, но и доступ к лекциям лучших
университетов мира, онлайн конференциям и вебинарам. То есть, более
высокая интеграция Украины в современную инновационную экономику
знаний.
Рис.6.
Перспективы развития WiMax в Украине
Количество абонентов скоростного мобильного интернета в Украине по
итогам первого полугодия 2010 года составило около 1,2 миллиона человек.
При этом на долю связи четвертого поколения (WiMax) приходится всего чуть
более 25 тысяч абонентов. Что как минимум в четыре раза меньше, чем
прогнозировало руководство первого в стране 4G-оператора "Украинские
Новейшие Технологии" (ТМ Freshtel) во время презентации проекта летом 2009
года.
Компания запустила в коммерческую эксплуатацию свою сеть в январе
этого года, потратив на ее строительство, по словам директора по отношениям
с инвесторами и связям с общественностью фонда Icon Private Equity
(мажоритарный акционер "УНТ") Екатерины Романовской, 50 миллионов
долларов. Сегодня покрытие оператора есть только в Киеве (70%). В мае этого
года в Киеве начала работать вторая беспроводная сеть в стандарте мобильного
WiMax - Intellecom. Запуск этого проекта, так же как и Freshtel, неоднократно
переносился. Сейчас сеть запущена только в столице, и начато ее
разворачивание в Харькове.
Многие эксперты украинского телекоммуникационного рынка
изначально весьма скептически оценивали перспективы развития WiMax в
Украине. Мизерное количество абонентов этой услуги подтверждает их
правоту.
Первый и основной фактор, объясняющий такое положение вещей, - это
несовершенство технологии, которая требует установки большего количества
базовых станций. Но даже это не решит проблемы: львиная доля абонентов
WiMax постоянно испытывают сложности с наличием сигнала в помещении, и
эти проблемы не всегда решаются размещением модемов, например, на
балконе. Российские 4G-операторы для решения этой проблемы используют
специальное оборудование, устанавливаемое в помещениях и усиливающее
мощность сигнала. Но этот путь требует значительных денежных вложений,
окупаемость которых в нынешней ситуации не гарантирована.
Также более чем скромное число абонентов объясняется тем, что обе
компании предлагают клиентам USB-модемы по льготной цене только при
условии подписания годичного контракта. Это сдерживает приток абонентов
массового рынка, которых мобильные операторы приучили к системе припейд,
при которой не нужно подписывать никаких договоров, брать на себя
контрактные обязательства и ежемесячно платить абонплату. Помимо этого,
тарифные планы двух компаний - безлимитные пакеты стоят 150-180 гривен в
месяц - на фоне постоянного удешевления предложений у других провайдеров
интернета выглядят довольно дорогостоящими.
Помимо объективных причин несовершенства технологии и слабого
покрытия WiMax-операторов, есть и фактор конкуренции с технологией 3G.
Так, "Укртелеком" начал достаточно агрессивно бороться за абонентов,
запустив два безлимитных тарифных плана мобильного широкополосного
интернета (с абонплатой 60-120 гривен в месяц). Как результат, по оценкам
экспертов, к концу этого года безлимитные интернет-пакеты станут стандартом
на рынке мобильного доступа, как это уже произошло с услугой
фиксированного интернета. По прогнозу "Укртелекома", к концу года у
компании будет 834 тысяч мобильных абонентов, то есть их количество
вырастет примерно в 2,2 раза, пишет издание "Дело".
Эксперты считают, что в ближайшей перспективе конкуренция в
сегменте скоростного мобильного интернета обострится еще более
существенно. Практически сразу на новое предложение госоператора
отреагировал его основной конкурент – "Телесистемы Украины" (ТМ
Peoplenet), который запустил тарифный план с посуточной абонентской платой
в 3 гривне в сутки. В нем абоненты также могут платить только за те дни, в
которые они пользуются доступом.
Особая проблема внедрения WiMax в Украине связана с выделением
частотного плана. В начале сентября 2010 года НКРС попыталась уладить
вопрос выдачи лицензий на связь 3G… и ограничила их количество. Так,
согласно решению НКРС № 1648, получить лицензию на мобильную связь
третьего поколения ІМТ – 2000 (UMTS) в диапазоне 1920 – 1980 МГц, 2110 –
2170 МГц, 2010 –2025 МГц теперь смогут только 4 компании. Ещё одна,
действующая, лицензия есть у «Укртелекома».
Таким образом, все затраты на проведение радиочастотной конверсии,
необходимой для освобождения частот под 3G, лягут на плечи четырех
операторов («Укртелеком» не разделит время финансовой ответственности).
Хотя желающих заполучить эту лицензию – значительно больше: «Киевстар»,
«МТС-Украина», «Астелит» (TM life:), «Украинские радиосистемы», «Голден
Телеком» (Beeline), ITC («CDMA Украина»).
3.3. Перспективы развития технологии LTE
Технология LTE (Long -Term Evolution) – это логическое продолжение
развития сетей 3G. В среднесрочной перспективе она будет определять
развитие систем сотовой связи в мире. Эта технология способна обеспечить
скачкообразное (теоретически, в десятки раз) увеличение скорости передачи
данных по сравнению с действующими мобильными сетями.
Внедрение LTE теоретически позволит обеспечить скорость передачи
данных до 346 Мбит/с в полосе частот 20 МГц, а при использовании
технологии LTE-Advanced – примерно до 1 Гбит/сек. в полосе 100 МГц. LTE
полностью совместима с существующими сетями: звонок или сеанс передачи
данных, инициированный в зоне покрытия LTE, технически может быть
передан без разрыва в сети GSM/GPRS/EDGE, WCDMA, CDMA2000.
Эволюция и преемственность технологий мобильного доступа представлена на
рис.7.
LTE становится главной перспективой развития телекома в мире, бизнес
приоритетом и ключевым элементом стратегий развития операторов связи.
Сегодня в мире превалирует мнение, что, если оператор не задумывается об
LTE, он ограничивает свою жизнь на рынке.
В январе 2008 г. международное партнерское объединение Third
Generation Partnership Project (3GPP), разрабатывающее перспективные
стандарты мобильной связи (GSM, GPRS, EDGE, UMTS (WCDMA) и др.),
утвердило LTE в качестве следующего после UMTS стандарта широкополосной
сети мобильной связи.
Рис.7. Эволюция и преемственность технологий мобильного доступа
В США два ведущих оператора готовы к старту коммерческих LTE сетей
в этом году. В общей сложности 35 операторов объявили о своих намерениях
развивать технологию LTE на коммерческой основе. Еще больше компаний,
включая «МТС Украина», приступили к реализации пилотных проектов.
Вполне очевидно, что LTE будет развиваться.
Главное преимущество LTE – высокая скорость. Но скорость есть и у
UMTS, и у WIMAX. Очень важным преимуществом LTE является то, что эту
технологию можно внедрять на довольно широком диапазоне частот. В
Украине существует несколько частотных диапазонов, на которых можно
запускать LTE. Прежде всего, это 1800 МГц и 2,6 ГГц. Можно использовать и
диапазон 900 МГц, но в настоящее время мало кто из операторов рассматривает
его сегодня для LTE. Изначально под развитие этой технологии предполагались
частоты 2,6 ГГц, но из-за ряда трудностей (в основном связанными с
занятостью диапазона специальными пользователями) этот диапазон
практически не используется. В Европе чаще говорят о диапазоне 800 МГц,
особенно в связи с так называемым цифровым дивидендом или освобождением
частот этого диапазона после перевода телевизионного вещания в цифровой
формат. В настоящее время там проходят тендеры и аукционы на частоты
800 МГц.
Следует особо заметить, что широкое внедрение LTE зависит от наличия
абонентских устройств и операторского оборудования, работающих на основе
этой технологии. Основные производители операторского оборудования LTE
сегодня Ericsson, Alcatel-Lucent, Nokia Siemens Networks, Fujitsu, Motorola,
Panasonic, Starent, ZTE.
В настоящее время активность в плане разработки чипсетов и
абонентских устройств с поддержкой LTE проявляют LG, Samsung, Huawei
Technologies, Sandbridge Technologies, Altair Semiconductor и другие крупные
производители.
Скорее всего, производители пойдут по пути постепенного расширения
линейки абонентских устройств. Сначала это будут USB-модемы и PC-карты
(двухстандартные, с поддержкой протоколов HSDPA и LTE), затем –
встроенные модемы в нетбуках, интернет-планшетах и ноутбуках, и только
потом – новые модели коммуникаторов и смартфонов с интегрированными
LTE-чипами.
Перспективы LTE в мире и в Украине
В США для LTE в основном используются частоты 700 МГц. Они
гораздо лучше подходят для обеспечения широкого покрытия и обслуживания
большого количества абонентов. С точки зрения строительства сети – это
выгодно экономически: более низкие частоты дают больше зону покрытия.
В Украине диапазоны 700 и 800 МГц, к сожалению, недоступны для LTE,
поэтому необходимо рассматривать существующие альтернативы, например
900 и 1800 МГц.
Однако, как показывают испытания, частоты выше 1800 МГц дают очень
неутешительные результаты относительно покрытия и эксплуатации. Работа на
более высоких частотах требует установки гораздо большего количества
базовых станций для полноценного покрытия.
По данным опроса GSМA, проведенного в 2009 году, 26 операторов в
мире заявили о планах построения сетей LTE в ближайшие два года. По
данным СМИ, в коммерческую эксплуатацию в 2010 г. буду запущены не менее
13 сетей LTE, в частности, в Китае, Германии, Канаде, США, Японии.
В Японии сети LTE будут разворачиваться в диапазонах 800 МГц, 1,5 и
2,1 ГГц, в Европе – 2,6 ГГц, а в США - 700 МГц.
По данным UMTS Форума, предполагается, что к 2015 г. общий доход
операторов сетей связи стандарта LTE составит 150 млрд. долл. (около 15%
доходов мирового рынка услуг сотовой связи), а число их абонентов по всему
миру может превысить 400 млн. человек.
Технология LTE уже внедрена или планируется к внедрению в
коммерческую эксплуатацию в следующих странах: Армения, Австралия,
Австрия, Бахрейн, Бразилия, Канада, Китай, Эстония, Финляндия, Франция,
Германия, Гонконг, Ирландия, Италия, Япония, Иордания, Нидерланды, Новая
Зеландия, Норвегия, Филиппины, Португалия, Россия, Саудовская Авария,
Сингапур, Южная Африка, Южная Корея, Швеция, Тайвань, Объединенные
Арабские Эмираты и Узбекистан. В декабре 2009 года в коммерческую
эксплуатацию были запущены сети на базе технологии LTE в Норвегии и
Швеции. Ожидается, что к концу 2010 года будет запущено еще 22 сети на базе
технологии LTE, а к концу 2012 года их будет насчитываться 39. Планы
операторов по запуску в коммерческую эксплуатацию сетей LTE представлены
в таблице 3.
Таблица 3.
Планы операторов по запуску в коммерческую эксплуатацию сетей LTE
Еще 24 оператора из 11 стран, таких как Аргентина, Бельгия, Чили,
Чехия, Венгрия, Индонезия, Казахстан, Словакия, Испания, Великобритания и
Украина начали или запланировали проводить тестовые испытания технологии
LTE в 2010-2011 году.
МТС сообщает о запуске в эксплуатацию сети 4G на базе технологии
Long-Term Evolution (LTE) в Узбекистане – первой постоянно действующей
коммерческой сети 4G в СНГ и Центральной Азии. Сеть развернута в
частотном диапазоне 2,5-2,7 ГГц, лицензию на использование которого «МТС
Узбекистан» получила в октябре 2009 года. Поставщиком оборудования для
строительства сети LTE от МТС в Узбекистане является компания Huawei
Technologies Co. Ltd.
Крупные украинские операторы (в частности «Киевстар» и МТС)
неоднократно заявляли о готовности развивать 4G-связь на частотах под связь
поколения 3G (если проведение тендера затянется более, чем на полгода, но
тендер так и не состоится). Частоты, на которых может строиться LTE (0,7-0,8,
1,7-2,1, 2,6 ГГц), сегодня либо заняты, либо их использование ограничено
законом. Принятие закона о технологической нейтральности (право оператора
использовать уже имеющихся в его распоряжении частоты под новые
технологии) может решить этот вопрос.
«Перенацеливать»
абонентов
на
новую
технологию
без
соответствующего доступного оборудования будет невозможно. По оценкам
экспертов коммерческие сети LTE в Украине могут быть развернуты уже к
концу 2011 года. К этому времени будет широкодоступным как сетевое
оборудование, так и терминалы. При желании, можно успеть легализовать
внедрение технологии и распределить необходимый частотный ресурс, либо
разрешить использовать уже распределенный частотный ресурс для этой
технологии.
Мировой массовый запуск смартфонов которые, поддерживают
технологию LTE ожидается во II квартале 2011 года. В России устройства,
работающие в сетях LTE, могут появиться уже со второй половине следующего
года: «Yota» ведет соответствующие переговоры о поставках ноутбуков и
мобильных с конвергентными чипами с «Samsung» и «Huawei».
В «Samsung Electronics» отметили, что компания готова начать поставки
оборудования в Украину, поддерживающего стандарт LTE, как только в стране
появится соответствующая инфраструктура, отметив, что в портфеле
потребительских товаров компании есть ноутбуки, поддерживающие данный
стандарт и уже продающиеся в ряде европейских стран.
Для операторов связи от введения LTE, по оценкам "Ericsson", рост ARPU
(средний доход на абонента в месяц) ожидается на уровне от 35% до 70%, что
для украинских телеком-операторов с довольно низкими (как для Европы)
показателями ARPU очень актуально. Кроме того, новый стандарт позволяет
намного эффективнее использовать радиочастотный ресурс, который в этом
году в Украине существенно "подорожал".
Учитывая, что закон претворяющий данный принцип в жизнь, вступит в
силу со следующего года (законопроект №3420) принят Верховной Радой
1 июля 2010 года), операторы для развития LTE могли бы использовать
существующие частоты GSM. С другой стороны, как "proIT" объяснили в
Государственной администрации связи, например, частоты GSM-900 и GSM1800, даже при введении принципа технонейтральности, подвести под LTE не
получится: "Радиочастотный ресурс распределялся небольшими полосами
частот по 1-3 МГц. Для разворачивания полноценных сетей GSM достаточно
было суммарной полосы радиочастот 9,6 МГц. Однако, для разворачивания
сетей связи последующих поколений такой полосы недостаточно". Поскольку
для 4G необходимо не менее 30 МГц, для высокоскоростной сети LTE –
60 МГц, причем отдельная полоса частот не должна быть меньше чем 10 МГц.
Кроме того, если под LTE забрать 1800-й диапазон, сами операторы
признают, что это приведет к снижению качества GSM-связи.
Вопрос развития связи третьего поколения в Украине остается
нерешенным. Сегодня только «Укртелеком» имеет лицензию на связь стандарта
3G, крупнейшие операторы и хотели бы – но пока не могут получить частоты:
аукцион по их продаже сорвался и не известно состоится ли в ближайшем
будущем.
3.4. Безопасность сотовых сетей
Следует подчеркнуть, что сотовые сети есть довольно уязвимыми для
несанкционированного доступа злоумышленниками к информации, которая
циркулирует между абонентами [8-10].
Радиус действия базовой сотовой станции составляет 5-20 км, а перехват
сообщений может, осуществляется на расстоянии до 50 км. Существующие
носимые станции радиоперехвата позволяют контролировать одновременно до
10 телефонных номеров, то есть, одну сотовую ячейку. Нужный разговор может
определяться по голосу абонента или по содержимому разговора.
Перехваченные один раз номера при желании переводятся программно в
особый режим наблюдения. Встроенное запоминающее устройство
автоматически начинает запись, когда объект наблюдения начинает
пользоваться телефоном.
Кроме того, существуют устройства, которые контролируют всю сотовую
сеть, и выбираются каналы, по которым происходят контролируемые звонки.
Посредством комплекта сотовых карт определяется район или место, в котором
происходит подозрительный разговор по голосу абонента или по содержимому
разговора.
Радиоканалами снятия информации есть:
электромагнитное излучение телефонов и базовых станций, которое
позволяет осуществлять перехват всей информации, которую получил
(передал) абонент;
микрофонный эффект (даже в случае, когда абонент не разговаривает, а
телефон отключен, возможное прослушивание разговоров лиц, которое
находится рядом с телефоном (нужно отключать аккумулятор);
магнитное поле (паразитные связи и наводки) и др.
Современные сотовые сети могут использовать различные системы
кодировки или перенастройки на частоты по случайному закону (ППРЧ).
Однако существуют специальные комплекты радиоперехвата с возможностью
пеленгации, а анализа зашифрованных сообщений.
Для борьбы с прослушиванием в мобильных телефонах устанаовливают
средства шифрования информации. Однако массовая установка их в мобильных
телефонах есть проблематичной и дорогой для широкого потребления (да и в
обыденной жизни не требуется).
Кроме того, по работающему мобильному телефону легко отследить путь
движения и установить координаты нахождения абонента. Это обстоятельство
широко используют спецслужбы в своей деятельности.
Выводы делайте сами.
ВЫВОДЫ
На развитие сотовых систем связи в Украине будет влиять рынок
мобильного доступа в интернет и его востребованность в перспективе
экономического роста Украины в 2011-2015 годах . Поэтому и для 3G, и для 4G
есть огромные перспективы. По прогнозам специалистов в следующие тричетыре года темпы роста мобильного доступа в интернет будут на уровне 2633%. Причем взнос 2G с каждым годом будет уменьшаться. Однозначно,
перспективы для внедрения 3G/4G в Украине являются очень серьезными!
С уверенностью можно сказать, что разные компании в зависимости от
особенностей избранной стратегии поведения придерживаются существенно
различных, подходов. Кто-то, как, например, УРС или МТС, сократил свои
инвестиции, поскольку основные интересы, усилия и ресурсы материнских
компаний находятся за границей. Кто-то, как Астелит, пытается сохранить
докризисные объёмы инвестирования, чтобы подготовиться к неизбежному
восстановлению рынка.
Парадоксальной является позиция Киевстар который, несмотря на
амбициозные планы и более чем достаточные собственные ресурсы, всё время
пересматривает свои планы в сторону уменьшения расходов. Проблемы носят
скорее внутренний характер. В первую очередь стоит упомянуть некоторый
кризис идей, который проявляется, как неспособность делать что то, что
выходит за рамки имеющегося опыта. Сложнее всего, очевидно, приходится
лидеру рынка. Похоже на то, что компания пока не может определиться с
направлением своего дальнейшего развития. В результате вместо того, что
инвестировать накопленные за годы успеха ресурсы, акционеры Киевстар
выводят их за рубеж в виде дивидендов. А менеджмент компании озвучивает
всё более экзотические идеи – от продажи цифровой музыки до построения
общенациональной сети с использованием WiMAX в диапазоне 5 ГГц,
которую, признали бесперспективной сами производители.
Что же касается МТС, то она, кажется, окончательно отказалась от
намерения вернуть себе позицию номер 1 и полностью сосредоточилась на
противостоянии с Астелит.
Вопрос развития связи третьего поколения в Украине остается
нерешенным. Сегодня только "Укртелеком" имеет лицензию на связь стандарта
3G, крупнейшие операторы и хотели бы, но пока не могут получить частоты:
аукцион по их продаже сорвался и не известно состоится ли в ближайшем
будущем.
Таким образом, выражу мнение, что с учетом проволочек с
внедрением технологии 3G, возможно украинским операторам стоит сразу
браться за связь четвертого поколения, которая сегодня массово
внедряется в Европе и в мире.
Литература:
1. Берлин А.Н. Цифровые сотовые системы связи. М.: Эко-Трендз, 2007.
2. Вишневский В., Портной С., Шахнович И. Энциклопедия WiMAX.
Путь к 4G. Техносфера, 2009.
3. Весоловский К. Системы подвижной радиосвязи. М.: Горячая линия –
Телеком, 2006.
4. Григорьев В.А., Лагутенко О.И., Распаев Ю.А. Сети и системы
радиодоступа. Эко-Трендз, 2005.
5. Маковеева М., Шинаков А. Системы связи с подвижными объектами.
Радио и связь, 2002.
6. Шмалько А.В. Цифровые сеты связи: основы планирования и
построения. – М.: Эко-Тренд, 2001. – 216 с.
7. Системы мобильной связи: Учебное пособие для вузов / В.П. Ипатов,
В.К. Орлов, І.М. Самойлов, В.Н. Смирнов; под ред. В.І. Ипатова. М.: Горячая
линия-телеком, 2003.
8. Андрончик А.Н. и др. Защита информации в компьютерных сетях.
Практический курс: учебное пособие под ред. Н.И.Синадского. Екатеринбург:
УГТУ-УПИ, 2008. – 248 с.
9. Гейер Джим. Беспроводные сети. Первый шаг: Пер.с англ. М.:
Издательский дом "Вильяме", 2005. – 192 с.
10.
Щеглов
А.Ю.
Защита
компьютерной
информации
от
несанкционированного доступа. Санкт-Петербург: Наука и Техника, 2004. –
386 с.