Технологии/Явление
Тройная связь
| Мобильная связь нового поколения 3G |
19.05.2008
16:50
Символ 3G сегодня известен, наверное, каждому, но каждый по-своему понимает то, что под этим символом скрывается. Кто-то считает 3G новым стандартом сотовой связи, другие уверены, что это – высокоскоростной доступ в интернет, а третьи думают, что это всего лишь ускорение свободного падения, только в три раза больше того, к которому мы привыкли на планете Земля. На самом деле, правы тут все – и не прав никто. Потому что 3G гораздо больше, чем просто сумма трех его слагаемых.
0G: Морзянка в невесомости
Принцип действия мобильной связи стал использоваться почти сразу же после того, как Попов (и почти одновременно с ним Маркони) изобрел радио. Конечно, первые радиостанции совершенно не были похожи на нынешние – ультракомпактные, но схема работы с тех пор ничуть не изменилась. В радиостанции начала прошлого века, перевозимой парой лошадей, для передачи применялся код Морзе. Различные сочетания коротких и длинных сигналов обозначали разные буквы и цифры, но сигналов было только два.
Код Морзе был двоичным и состоял из «нулей» и «единиц». Таким образом, радиостанция и ее оператор представляли собой аналог цифрового устройства для передачи данных. Скорость передачи данных у этого «цифрового устройства» была невероятно низкой: самые квалифицированные радисты могли отстучать на ключе около 600 «нулей» и «единиц» (говоря современным языком, канал связи имел ширину около 600 бод, т.е. 600 бит в секунду).
С изобретением телефона о цифровых методах передачи данных на некоторое время забыли, чтобы вновь вернуться к ним примерно через полвека. В 50-х на свет появились первые полупроводниковые устройства, в которых роль радиста с ключом стали исполнять транзисторные схемы. «Стучать» они могли значительно быстрее, и скорость передачи данных выросла до 2400 бод. Тогда же в обиход вошло новое слово, обозначающее цифровое устройство для передачи данных – модем.
Первые мобильные телефоны строились на основе аналоговых сетей и работали как обычные голосовые рации. Возврат к цифровым методам произошел в 1987 году, с появлением цифровых стандартов связи.
1G: Околоземные орбиты
Цифровой мобильный телефон 1987 года был необычайно сложным устройством, сравнимым с персональным компьютером того же периода. Голос абонента записывался во встроенную память аппарата, а затем переводился в цифровую форму, «разрезался» на пакеты, сжимался и со скоростью 13 Кбит/сек. выстреливался в эфир стремительной морзянкой. С другой стороны пакеты принимались, собирались в единое целое, расшифровывались и воспроизводились в виде звука. Иными словами, самые первые цифровые мобильные телефоны, как и нынешние, представляли собой совокупность цифрового диктофона, модема, радиопередатчика, приемника и MP3-проигрывателя (хотя таких слов тогда еще не знали). Это был прорыв. Голос и данные получили равные права, и теперь по тем же самым сотовым сетям можно было передавать что угодно, причем со скоростью, сравнимой с модемами того времени (приблизительно 14 Кбит). Казалось, что вот-вот проводная связь исчезнет, но она не спешила сдавать свои позиции.
2G: Деление эфира
В 80-х годах прошлого века многие полагали, что резервов, закладываемых в конструкцию цифровых устройств, хватит на долгое время. Именно тогда Билл Гейтс заявил, что 640 Кбайт памяти компьютерам будет достаточно в течение ближайших двух десятилетий. Однако сегодня уже никого не удивить «персоналкой» с двумя гигабайтами ОЗУ, что примерно в 3000 раз больше. С радиосетями произошло то же самое: резервы емкости были оценены неверно. 
На каждый канал передачи данных в цифровых сотовых сетях второго поколения проектировщики выделили целых 200 Кбит/сек. – огромная цифра по меркам 1987 года, но вполне обычная для 1995 года, когда на свет появился Интернет. И совершенно смехотворная для года 2007, когда в Москве начала развертываться первая сеть третьего поколения.
Ограничения скорости обусловлены частотой, на которой передаются данные: в идеальных условиях значение скорости не может превысить значение частоты, поделенное на два. Для сотовой сети уровня GSM несущая частота составляет 900 или 1800 МГц, из которых на передачу выделено всего 25 МГц, которые, в свою очередь, поделены на 124 канала. Так что даже при использовании новейших ухищрений выжать из одного канала более 200 Кбит/сек. крайне затруднительно.
Но, казалось бы, достаточно увеличить частоту – и скорость сразу же возрастет. Однако эфир уже давно полностью поделен на частоты, и практически каждый диапазон кому-то принадлежит. В Европе частоты от 5 ГГц и выше используются военными, авиационными диспетчерами и спутниковым телевещанием. Для сотовых сетей места нет, поскольку все частоты в диапазоне сверх 2 ГГц уже зарезервированы. У проводных сетей проблем с частотами нет. По обычному медному проводу можно передавать данные, голос, видеосигнал – и все это одновременно, а емкость такого провода можно делить как угодно.
С появлением интернета это сразу же было взято на вооружение: сначала была разработана технология ISDN, а затем DSL и ADSL (для передачи данных с высокой скоростью по телефонным проводным сетям без ущерба для голоса). А тем временем сотовые операторы пытались использовать немногие оставшиеся в эфире лазейки.
2.5G: Точка отрыва
Если у вас есть небольшая сумка, а перевезти в ней нужно много вещей, сделать это можно по-разному. Во-первых, можно все упаковать максимально плотно. Во-вторых, можно взять две такие сумки. И, наконец, можно осуществить перевозку в несколько приемов. Модернизируя цифровые сети второго поколения, разработчики использовали все три способа. В 1997 году сотовые операторы стали предлагать доступ в интернет с помощью технологий GPRS. Этот термин знаком каждому (правда, его частенько путают с GPS, хотя к спутниковой навигации GPRS не имеет никакого отношения), однако мало кто осознает, что GPRS – это целый ряд стандартов передачи данных.
Самый низший уровень GPRS – это класс C. В сотовых телефонах, реализующих этот вариант стандарта, есть возможность вручную переключаться с передачи голоса на передачу информации, при этом в рамках одного канала сотовой сети скорость в режиме передачи данных составляет 80 Кбит/сек.
Устройства класса B отличаются автоматизированным переключением между режимами: когда вам кто-то звонит, соединение GPRS временно «ставится на паузу» или переводится на свободный канал, а когда разговор закончен, снова автоматически включается. Большинство современных телефонов принадлежат к классу B.
В высшем классе – А, используются прогрессивные методы упаковки данных, что позволяет «втиснуть» в канал сразу и голос, и поток информации. Во время разговора канал данных работает без снижения скорости, что позволяет, например, передавать изображение, а следовательно, проводить видеоконференции. В этом классе представлены только новейшие модели сотовых телефонов.
Казалось бы, достигнут если не идеал, то реально функционирующее решение: отсутствие проводов, адекватная скорость, миниатюрность устройств, приемлемые цены. Но на самом деле такое решение было лишь полумерой. Вскоре стало очевидным, что скорости передачи данных в недалеком будущем вновь станет недостаточно, а расширить ограниченный канал не удастся.
2.75G: На грани
Пока мобильные операторы воплощали в жизнь системы MMS, консорциум по развитию сотовых сетей решал, как увеличить пропускную способность каналов передачи данных в сотовых сетях. Еще на стадии проекта такие сети получили условное название сетей третьего поколения – 3G, но процесс их рождения был непрост. Разработанные в начале 90-х стандарты сотовой связи не позволяли существенно увеличить пропускную способность без расширения частотного диапазона или смены стандартов. Это, в свою очередь, подразумевало полную смену оборудования всех операторов сотовых сетей и лицензирование новых частот. Ожидаемого скачка в следующее поколение не получилось, и пришлось двигаться постепенно.
«Первые ласточки» сетей нового поколения появились в США на базе стандарта CDMA, гораздо лучше приспособленного для модификаций в сторону повышения пропускной способности. Проект протокола EV-DO, призванный обеспечить скорость свыше 2 Мбит/сек., был разработан в инициативном порядке компанией Qualcomm в 1999 году. Но стандартизация протокола затянулась почти на пять лет, так как параллельно свои версии предложила компания Motorola. Три с лишним года организаторы выбирали из этих проектов более перспективный, и лишь в 2004 году некоторые американские и японские сотовые операторы перешли на CDMA-2000 (или W-CDMA) с поддержкой высокоскоростного доступа в интернет. В России этот стандарт начала продвигать компания SkyLink.
Модернизация GSM-сетей, более распространенных в Европе, протекала сложнее. Сначала был разработан протокол EDGE, обещавший увеличить скорость передачи данных до 473 Кбит/сек., что представлялось достаточным в 1999 году. Однако к 2004 году, когда эти сети начали эксплуатироваться, такая скорость оказалась всего лишь удовлетворительной (в зависимости от класса сети на практике скорость соединения EDGE колеблется от 118 до 236 Кбит/сек., а теоретический максимум в реальных условиях почти недостижим).
Сети EDGE были названы поколением 2.75, поскольку их скорость может достигать величин, требуемых от 3G лишь в некоторых случаях, при соблюдении идеальных условий. В будущем планируется расширение возможностей таких сетей. Но есть и другой путь.
2.99G: Над гранью
Стандарт GSM, как было признано его разработчиками, без пересмотра основных принципов функционирования неспособен увеличить скорость передачи данных. Вместо того чтобы попытаться удержать на плаву стремительно устаревающие протоколы, было принято решение разработать новый стандарт третьего поколения с нуля. Идея, конечно, хорошая, но технических решений для ее реализации пока немного, а рынок диктует свои условия. Конкуренты, предлагающие мобильную связь в американском стиле CDMA-2000, могли полностью вытеснить GSM-операторов из Европы. Итоговое решение вновь оказалось компромиссным.
Рожденный в муках формат третьего поколения UMTS использует способы передачи данных стандарта W-CDMA, но опирается на GSM-инфраструктуру. Это удобно для операторов: меньше ресурсов будет потрачено на модернизацию оборудования. Это удобно и для пользователей: можно пользоваться и старыми GSM-телефонами, и новомодными UMTS. Жалко только, что мобильники старого образца так и не смогут обеспечить быструю связь с интернетом.
3G: Утроение ускорения
Так что же такое 3G? Международная организация по стандартизации телекоммуникаций определяет этот термин как совокупность стандартов, способных обеспечить скорость передачи данных 384 Кбит/сек. и выше одновременно с передачей голоса. Именно так определялось третье поколение сотовых сетей в 2000 году, когда разрабатывался стандарт. Но реальность опять опередила теорию. К третьему поколению сегодня можно отнести сети, работающие в стандартах W-CDMA (распространены в США и Японии, в России представлены оператором SkyLink), UMTS, пришедшем на смену GSM, и WiMax (перспективный стандарт городской беспроводной сети).
3.5G: Геометрический прогресс
Зачем нужен 3G? Вопрос вовсе не праздный, ведь имея «толстый» канал, можно не делить его на голос и данные – пропускной способности хватит на все. Голос можно передавать через интернет точно так же, как и картинки, видео и SMS. Посетители Всемирной паутины активно пользуются голосовыми видеочатами, а Skype стирает границы между телефонией, конференц-связью и интернет-пейджерами. Уже появляются первые интернет-телефоны, работающие в стандарте Wi-Fi, а сотовые телефоны становятся все больше похожими на компьютеры – терминалы всемирной сети. Активно развивается перспективный стандарт WiMax, логичное расширение Wi-Fi до уровня городской сети 
(обеспечивая ту же скорость, что и проводные сети, он будет доступен на тех же дальностях, что и сотовая связь). Но кроме WiMax существуют и другие стандарты беспроводной связи, ориентированные на максимальное использование существующей инфраструктуры сотовых сетей. HSDPA – один из них. С его помощью операторы сетей третьего поколения планируют достичь скоростей передачи данных, равных 8, а затем и 14,4 Мбит/сек. Но не успел новый стандарт появиться, как разработчики предложили его усовершенствованный вариант – HSOPA, в котором скорость передачи данных может дойти до фантастических 100 Мбит/сек. И вновь реальная жизнь технологий опережает замысел. Каким будет 4G, предсказать сегодня так же сложно, как в начале ХХ века – представить современную сотовую сеть.
Самый первый интернет
В первых телефонах стандарта GSM для доступа в интернет применялась технология CSD (она существует и сейчас, но вряд ли кто-то захочет ею воспользоваться), предоставлявшая обычный доступ во всемирную сеть по модему, встроенному в сотовый телефон. Для того чтобы подключить телефон к компьютеру, нужно было взять специальный кабель, после чего набирался особый номер и мобильник связывался с провайдером точно так же, как это делали проводные модемы. Скорость составляла всего 9600 бит/сек., а тарификация была поминутной, по расценкам разговора. Таковы были первые шаги интернета без проводов.
G-Force
Мобильный телефон в вашем кармане, скорее всего, является аппаратом поколения 2.75G. Что же такое эти G, и как они различаются?
0G
Годы жизни: 1971-1985
Первые опыты мобильной связи – радиотелефоны, включенные в обычную проводную сеть. Отсутствуют передатчики, ретрансляторы, соты, полностью аналоговая передача голоса… И забудьте об интернете – он еще не родился.
1G
Годы жизни: 1983-1997
Первые стандарты сотовой связи. Сети операторов уже отделены от проводных сетей общего пользования. Голос передается в аналоговом виде, передача данных – на зачаточном уровне.
2G
Год рождения: 1990 (GSM)
Первые цифровые сотовые сети: GSM, D-AMPS, CDMA. Разговор передается полностью в цифровом виде, а значит, появилась возможность передачи данных. Этот момент мог бы стать началом беспроводного интернета, но… Всемирной паутины еще не существует. Так что имеющиеся возможности используются лишь для SMS.
2.5G
Год рождения: 1997
В мир сотовой связи входит стандарт GPRS, предназначенный для относительно высокоскоростной передачи данных. Появляется стандарт MMS для обмена картинками, рингтонами и прочей ерундой. Начинается революция камерафонов. Широкополосный доступ в интернет еще невозможен; работает стандарт WAP для урезанных сайтов.
2.75G
Год рождения: 2004
Способы обеспечить действительно широкополосный доступ в интернет уже есть, но большая часть операторов не желает переходить на новую аппаратуру. Компромиссным
Решением становится расширение GPRS технологией EDGE: это позволяет увеличить скорость работы с интернетом вдвое.
3G
Время рождения: вчера
Если сети поколения 2.75 отличаются от 2.5G удвоенной скоростью передачи данных, то в третьем поколении скорость увеличивается в 10 раз. Становятся возможными передача в реальном времени видео и проведение многоточечных телеконференций.
3.5G
Время рождения: сейчас
В дополнение к спецификациям UMTS, W-CDMA и EDGE Evolution появляется специализированный стандарт высокоскоростной передачи данных HSDPA, увеличивающий емкость канала вдвое по сравнению со стандартами третьего поколения. Скорость передачи данных в сетях 3.5G достигает от 3 до 4 Мбит/сек., и ее достаточно для большинства Интернет-применений (вплоть до мобильного хостинга). И это не предел – максимальная скорость, достигаемая HSDPA - устройствами, составляет 14,4 Мбит/сек.
3.75G
Время рождения: завтра
На смену HSDPA приходит более эффективный стандарт HSOPA, скорость передачи данных в котором достигает 100 Мбит/сек., что соответствует пропускной способности офисной проводной локальной сети. Параллельно развиваются беспроводные стандарты 802.11n и WiMax, способные обеспечить еще более высокую скорость. Какой из стандартов будет выбран операторами сотовой связи, пока что трудно предугадать.
4G
Предполагаемое время рождения: ближайшие 3-5 лет
Итак, мы в будущем. Разница между сотовыми операторами и интернет-провайдерами исчезает. Больше не нужно связываться с интернетом – он везде. А телефон становится всего лишь одним из многочисленных устройств глобальной сети, и уже неважно, каким стандартом для подключения он воспользуется – это может быть и WiMax, и Wi-Fi, и HSOPA, и другие технологии, названий которых мы пока не знаем.
Что дает 3G
Конечно, высокие скорости – это хорошо, но что дает использование сетей третьего поколения лично вам? Преимуществ довольно много. Аппараты третьего поколения могут одинаково успешно работать во всех сотовых сетях мира, поскольку стандарт стал единым. 
Сети третьего поколения с легкостью оперируют мультимедийной информацией, что позволяет подписываться на услуги мобильного телевидения, работать с электронной почтой, видеоавтоответчиками, проводить видеоконференции, вести разговор с несколькими абонентами сразу. Устройства 3G полностью интегрированы в мировые электронные банковские системы, позволяя осуществлять любые электронные платежи – от оплаты проезда в метро до покупки автомобиля. В перспективе эти мобильные устройства смогут заменить банковские карты и паспорта, предоставляя возможность аутентификации всем заинтересованным службам и устройствам.
А доступный интернет – это свободный доступ к электронным книгам и мультимедиа-информации (фильмам, музыке, фотографиям) в любое время и из любой точки мира. И, разумеется, с помощью устройств третьего поколения можно в любой момент перенестись в многопользовательские игровые вселенные. А скоро наверняка появится что-то еще…
Факты 3G
Число абонентов сетей третьего поколения сегодня составляет около 80 млн. человек. Наиболее распространены сети 3G в Японии, Корее, Австралии и Сингапуре, где их используют 95% населения. В США и Европе такие сети работают наравне с 2G. Наиболее продвинутая в этом отношении страна – Италия, где на стандарты третьего поколения перешли более 35% абонентов сотовых сетей. 
С небольшим отрывом далее следуют Великобритания и Германия. В России первой сетью нового поколения может стать МТС – сотовая сеть московского региона. Контракт на постройку инфраструктуры для этой сети был заключен с компанией Nokia Siemens 18 мая 2007 года. Первые сегменты 3G-сети введены в эксплуатацию нынешним летом, а воспользоваться всеми преимуществами 3G абоненты МТС смогут уже к концу года.
Устройства 3G
Устройств, использующих все преимущества сетей третьего поколения, пока немного: по данным ресурса 3G Today, предлагается 1097 моделей, способных работать в сетях 3G. Большинство из них – модификации привычных мобильных телефонов, почти не дающие принципиально новых способов использования. Но есть среди этих моделей и интересные варианты.
Hitachi W41H
Самый привычный вариант мобильного устройства 3-го поколения – телефон-раскладушка с поворотным дисплеем. От обычных мобильников он отличается двумя камерами (одна – для фото высокого разрешения, другая – для телевидеоконференций) и интегрированным GPS-модулем для мобильной навигации.
Максимальная скорость передачи данных составляет 2,4 Мбит/сек. Аппарат поддерживает мобильное телевещание, оснащен видеопроигрывателем, MP3-плеером, стереодинамиками и 70 Мбайт ОЗУ с возможностью расширения картами памяти формата microSD. Дополняет 
мультимедийные функции сканер штрих-кодов, интегрированный с калькулятором и системой электронных платежей для мобильного шоппинга.
CEC F88
В этом причудливом аппарате подкупают не столько его функции, сколько форм-фактор. Телефон выполнен в виде браслета с крупным цветным дисплеем и кнопочной клавиатурой на запястье (такие показывают в фантастических фильмах и шпионских боевиках). Разговаривать по такому «часофону» не очень удобно, поэтому в комплекте с ним поставляется беспроводная гарнитура. Телефон оснащен фотовидеокамерой и GPS-навигатором, а также встроенным MP3-плеером, поддерживающим функции интернет-радио.
Sharp Aquos Keitai W51SH
В сетях 3-го поколения просто говорить по телефону скучно. Куда интереснее – мобильное телевидение, и именно под него оптимизировано устройство от Sharp. Будучи чуть крупнее обычной «раскладушки», этот аппарат оснащен широкоформатным дисплеем высокого разрешения, поворачиваемым в горизонтальной плоскости. Для просмотра видео модель приспособлена идеально, но ее главная особенность – возможность самостоятельно организовать телетрансляцию по мобильной сети (для выполнения этой задачи аппарат оснащен двумя видеокамерами высокого разрешения). Снятые шедевры можно мгновенно разместить в интернете, на сервисах, подобных YouTube. Как и во многих устройствах 3-го поколения, в наличии встроенный GPS-навигатор.
Sharp EM-ONE
Новому поколению нужны новые коммуникаторы – такие как Sharp EM-ONE, обладающий беспрецедентной мощью, благодаря дисплею с разрешением 800х480, работающему под управлением 3D-ускорителя nVidia GeForce Go 5500. Также в наличии видеокамера высокого разрешения, GPS-навигатор и выдвижная буквенная клавиатура. Работая в сетях 3G, Sharp EM-ONE способен использовать все преимущества стандарта HSDPA, достигая скоростей передачи данных от 4,6 до 8 Мбит/сек. Зачем нужна такая скорость, пользователь решит сам – функции устройства ограничены только набором установленного программного обеспечения, а его мощности хватит для любых задач настоящего и будущего.
Panasonic ToughBook-18
Ноутбуков, оснащенных встроенными UMTS-модулями, становится все больше. Но ToughBook-18 выделяется среди них своим ударопрочным титановым корпусом, вращающимся сенсорным дисплеем и небольшим весом. Такой лэптоп заинтересует тех, кому приходится работать на улице, где единственный способ доступа в интернет – сотовая сеть третьего поколения. Там, в жестких условиях, это надежное устройство показывает себя во всей красе, обеспечивая непрерывную связь и поддерживая скорость до 2,4 Мбит/сек.
3G в России
На вопросы корреспондента отвечает Андрей Гурленов, руководитель службы технического обучения и обучающих информационных технологий компании «Билайн» («ВымпелКом»).
- На каких технологиях и стандартах будут строиться сети 3-го поколения, развертываемые в России?
- Сеть «Билайн» будет построена на технологии WCDMA (радиоподсистема). Подсистема коммутации будет единой для 2G и 3G, что позволит нынешним клиентам пользоваться услугами 3G без каких-либо дополнительных манипуляций.
- Какие преимущества даст конечным абонентам переход на сети нового поколения?
- Основное преимущество 3G – это высокие скорости доступа в интернет (от 384 Кбит/сек. до 7,2 Мбит/сек.) и возможность их увеличения в будущем до 14 Мбит/сек.
- Будет ли с переходом на сети 3-го поколения осуществляться поддержка старых моделей телефонов?
- Старые модели телефонов не поддерживают стандарт WCDMA, поэтому они будут продолжать работать в сети 2G.
- Понадобится ли абонентам какая-либо процедура перерегистрации, если они захотят воспользоваться преимуществами 3G?
- Клиенту достаточно будет только приобрести телефон с поддержкой WCDMA, а sim-карту менять не нужно. Как только сеть будет запущена в коммерческую эксплуатацию, телефон подключится к ней автоматически.
- Когда планируется ввести в эксплуатацию полнофункциональную сеть 3-го поколения?
- Все зависит от получения разрешения на частоты. К примеру, Москва и Комсомольскна-Амуре – два города, в которых перспективы внедрения 3G весьма туманны.
- Какая зона покрытия будет обеспечиваться для сетей нового поколения? Как она будет расширяться и эволюционировать?
- В будущем мы получим 100% покрытие территории. Расширение зоны покрытия будет идти строго в соответствии с требованиями бизнеса. А поскольку 3G – это, по сути, высокоскоростной мобильный интернет, то в первую очередь базовые станции 3G будут устанавливаться там, где на данный момент обеспечен максимальный интернет-трафик через GPRS/E-GPRS.
<< Предыдущая В начало рубрики Следующая >>