2.6.5. Технология 3G: цифровая передача голоса и данных

Первое поколение мобильных телефонов предназначалось для аналоговой передачи голоса, а второе — для цифровой. Третье поколение, 3G, служит для цифровой передачи голоса и данных. К широкому распространению этой технологии привело несколько факторов. Во-первых, когда появился 3G, объем передаваемых данных в стационарных сетях начал превышать объем голосового трафика; аналогичная тенденция наблюдалась и для мобильных устройств. Во-вторых, наметилась тенденция объединения телефонных, интернет- и видеосервисов. Появление смартфонов, начиная с выпущенного в 2007 году iPhone компании Apple, ускорило переход к мобильному интернету. С ростом популярности iPhone неуклонно росли и объемы данных. Изначально iPhone использовал сеть 2.5G (по сути, немного усовершенствованную сеть 2G), пропускная способность которой была явно недостаточной, чтобы удовлетворить растущие потребности пользователей. Это обусловило переход на технологию 3G, поддерживающую более высокие скорости передачи. Годом позднее компания Apple выпустила обновленную версию iPhone с поддержкой сетей 3G.

Операторы с самого начала пытались продвигаться в направлении 3G путем перехода на технологии, иногда называемые 2.5G. Одна из таких систем — EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution — «усовершенствованный GSM с улучшенной скоростью передачи данных»). По сути, это GSM с большим количеством битов на символ, что автоматически ведет к увеличению числа ошибок на символ. Поэтому в EDGE насчитывается девять схем модуляции и коррекции ошибок, возникающих из-за более высокой скорости. Эти схемы различаются задействованной долей полосы пропускания. EDGE — лишь один шаг на пути эволюции от GSM к технологиям 3G, представленным далее.

Начиная с 1992 года МСЭ пытался конкретизировать концепцию 3G, для чего выпустил рабочий проект IMT-2000 (где IMT означает International Mobile Telecommunications — Международный стандарт мобильной связи). Сеть IMT-2000 должна была предоставлять своим пользователям следующие базовые сервисы:

1. Передача голосовых данных в высоком качестве.

2. Обмен сообщениями (вместо электронной почты, факсов, SMS, чатов и т.д.).

3. Мультимедийные сервисы (проигрывание музыки, просмотр видео, фильмов, телепрограмм и т.д.).

4. Доступ в интернет (веб-серфинг, включая страницы с аудио и видео).

В числе дополнительных сервисов: видеоконференции, телеприсутствие, многопользовательские игры и мобильная коммерция (оплата товаров в магазине взмахом мобильного телефона на кассовом терминале). Более того, все эти сервисы должны были предоставляться повсеместно (с автоматическим соединением через спутник в отсутствие приземной сети), мгновенно (с постоянным подключением) и с гарантированным QoS. Другими словами, журавль в небе.

МСЭ рассчитывал на единую технологию IMT-2000 в масштабах всего земного шара, чтобы производители могли разработать для нее универсальное устройство, продаваемое и используемое повсюду. Единая технология сильно упростила бы положение дел для сетевых операторов и привлекла бы больше пользователей.

Но оказалось, что эти планы были излишне оптимистическими. Число 2000 в названии проекта означало три вещи: (1) год предполагаемого внедрения; (2) частоту в мегагерцах, на которой технология должна была работать; (3) предполагаемую пропускную способность сервиса (в килобитах в секунду). К 2000 году ничего из этого не было реализовано. МСЭ рекомендовал правительствам всех государств зарезервировать диапазон частот 2 ГГц для беспроблемного перемещения устройств из одной страны в другую. Выполнил это требование только Китай. Наконец, стало понятно, что скорость 2 Мбит/с выглядит не слишком реалистичной для очень мобильных пользователей (из-за невозможности достаточно быстрой передачи обслуживания). Эта скорость больше подходила для стационарных пользователей в помещении. Для пешеходов достижимой была скорость 384 Кбит/с, для подключений в автомобилях — 144 Кбит/с.

Несмотря на первоначальные неудачи, с тех пор удалось добиться многого. Было предложено несколько вариантов IMT-2000, из которых после отбора осталось два основных. Первый — WCDMA (Wideband CDMA — широкополосный CDMA) от компании Ericsson. Его продвигал Европейский союз, где он называется UMTS. Второй — CDMA2000, предложенный компанией Qualcomm в США.

У этих систем больше сходств, чем различий: обе основаны на широкополосном варианте CDMA. WCDMA использует каналы в 5 МГц, а CDMA2000 — в 1,25 МГц. Если посадить инженеров Ericsson и Qualcomm в одну комнату и попросить разработать единую архитектуру, вероятно, они управятся за час. Но основная проблема, не на инженерном уровне, а на политическом (как всегда). Европе нужна была система, совместимая с GSM, а США — с распространенной там системой IS-95. Каждая из сторон, естественно, поддерживала местную компанию (штаб-квартира Ericsson располагается в Швеции, Qualcomm — в Калифорнии). В результате Ericsson и Qualcomm постоянно сражались в судах по поводу патентов на технологии CDMA. Ситуация осложнилась тем, что UMTS стала единым стандартом 3G со множеством несовместимых между собой вариантов, включая CDMA2000. Эта попытка примирить враждующие лагеря и закрыть глаза на технические противоречия лишь отвлекла внимание от истинной цели всех усилий.

Преимущество WCDMA по сравнению с описанной выше упрощенной схемой CDMA — возможность отправлять данные с различной скоростью независимо друг от друга. В CDMA это достигается естественным образом, путем фиксации скоростей передачи элементарных сигналов и назначения для разных пользователей последовательностей элементарных сигналов разной длины. Например, в WCDMA количество элементов сигнала в секунду равно 3,84, а размер кодовых последовательностей варьируется от 4 до 256 элементов сигнала. Если код состоит из 256 элементов сигнала, после коррекции ошибок остается около 12 Кбит/с полосы пропускания, и этой пропускной способности вполне достаточно для голосового звонка. Если же код включает 4 элемена сигнала, скорость передачи пользовательских данных достигает 1 Мбит/с. Коды промежуточной длины дают промежуточные скорости. Для достижения скорости в несколько мегабит в секунду мобильное устройство должно использовать более одного канала в 5 МГц одновременно.

Мы сосредоточимся на применении CDMA в сотовых сетях, поскольку это отличительная черта обеих систем. CDMA не использует ни FDM, ни TDM в чистом виде, скорее их смесь, при которой все пользователи осуществляют передачу одновременно в одном диапазоне. Когда концепция CDMA впервые была озвучена, она вызвала в коммерческих кругах примерно ту же реакцию, что у королевы Изабеллы — предложение Колумба достичь Индии, направившись в противоположную сторону. Впрочем, благодаря настойчивости компании Qualcomm CDMA достиг успеха в качестве системы 2G (IS-95) и был проработан настолько, что стал техническим фундаментом 3G.