Проблема свободных частотных диапазонов

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.

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.

 

Рис. Частотный спектр.

 

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».

G, технология LTE

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 Мб ит/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 мен ее. 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.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Как решили проблему медленной скорости в сети GSM?

2. EDGE в чём её особенность?

3. Перечислите поколения мобильной связи, чем они отличаются?

4. За счёт чего удаётся достигать скоростей порядка 14,4 Мбт/сек при применении расширения UMTS под названием HSPA?

5. В чём состоит основная проблема распределения частотного диапазона?

6. В чём состоит особенность LTE сети?

Литература:

1. Н. Л. Бирюков, В. К. Стеклов «Транспортные сети и системы электросвязи. Системы мультиплексирования»: Учебник для студентов вузов по специальности “Телекоммуникации”/ Под ред. В.К.Стеклова. — К.; 2003, — 352 с.,ил.

2. Нікітюк Л.А. Архітектура інформаційних мереж: Навч. Посібник/ За ред. М.В. Захарченка - Одеса: УДАЗ ім. О.С.Попова, 2000. - 60 стор.

3. «Уральский радиотехнический техникум им. А.С. Попова» В.Г. Аверин Курс лекций дисциплины КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ

4. Барабаш Т.Н., Соловская И.Н. Проектирование телекоммуникационных сетей: Учебное пособие. – Одесса: ОНАС, 2009. – 64 с.

5. Сосновский В.А. Телекоммуникационные системы и компьютерные сеть: курс лекций / О.А.Сосновский. Минск: БГЭУ, 2007. 176 с.

6. Телекомунікаційні та інформаційні мережі: Підручник [для вищих навчальних закладів] / П.П. Воробієнко, Л.А. Нікітюк, П.І. Резніченко.–К.: САММІТ-Книга,2010 – 708 с.: іл.

7. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для ВУЗов. 4-е изд.-СПБ.: Питер, 2010.-944 с.: ил.

8. Серих С.О., Гайдур Г.І. Напрямки вдосконалення абонентських ліній телекомунікаційних мереж з використанням технології x.DSL: Державний Універсітет інформаційно-комунікаційних технологій.: Київ, 2013.-40 с.: ил. 9. Семенов Ю.В Проектирование сетей связи следующего поколения СПб.: Наука и Техника, 2005

10. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 1 - Современные технологии / Б. И. Крук, В. Н. Попантонопуло, В. П. Шувалов; под ред. профессора В. П. Шувалова. - Изд. З-о. ислр. и доп. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 647 с.: ил.

11. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 2 - Радиосвязь, радиовещание, телевидение / Катунин Г. П., Мамчев Г. В., Попантонопуло В. Н., В. П. Шувалов; под ред. профессора В. П. Шувалова. - Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004. - 672 с.: ил.

12. Телекоммуникационные системы и сети: Учебное пособие. В 3 томах. Том 3 - Радиосвязь, радиовещание, телевидение / Катунин Г. П., Мам- чев Г. В., Попантонопуло В. Н., В. П. Шувалов; под ред. профессора В. П. Шувалова. - Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004. - 672 с.: ил.

13. Б.С. Гольдштейн, Н.А. Соколов, Г.Г. Яновский. Сети связи Учебник для ВУЗов. СПб.: БХВ-Петербург, 2010.-400 с., илл.

14. Пескова С. А. Сети и телекоммуникации: учеб, пособие для студ. высш. учеб. заведений / С. А. Попова,, А. В. Кузин, А. Н. Волков. — 2-е изд., стер. — М.: Издательский центр «Академия», 2007. — 352 с.

15. Довгий С.О., Воробієнко П.П.,Гуляєв К.Д. Сучасни телекомунікациї: Мережі, технології, безпека, економіка, регулювання.-Видання друге (доповнене).-/За загальною ред. Довгого С.О. – К.: «Азимут-Україна». – 2013.-608 с.

16. Максимов Н.В, Попов И.И. Компьютерные сети: учебное пособие для студени=тов среднего профессионального образования. – 3-е изд., испр. И доп. – М.: ФОРУМ. 2008 -448с.: ил.-(Професиональное образование).