«Последняя миля» мобильной связи

Развитие систем массового обслуживания потребовало доведения линий связи до каждого человека — прокладки так называемой «последней мили» (см. «КТ» ##307–308). В старое доброе время проводной телефонной связи, радио- и телевещания эти вопросы стояли не так остро. Особенно в случае вещания: доставил сигнал на места с помощью наземных или спутниковых ретрансляторов и кричи «на всю Ивановскую», и все дела. Чем громче крикнешь, тем больше народу тебя услышит. И стоит это в пересчете на каждого слушающего и смотрящего сравнительно недорого: единственный передатчик с одной антенной на одной и той же радиочастоте работает сразу для всех.

Телефонные сети стоят дороже: к каждому абоненту нужно протянуть свою пару проводов от районной АТС, а это расходы меди, рытье траншей, кросс-поля… Поэтому «удельная» стоимость телефонии выше в сравнении с радио- и телевещанием даже при реализации последних с помощью проводов: при вещании на один провод можно «посадить» многих пользователей. Зато в проводной телефонии нет никаких проблем с радиочастотами. И вообще нет никаких технических проблем, — если есть деньги и есть люди, готовые их платить, то проводов можно намотать сколь угодно много и уложить кабель в землю. В этом случае проблема «последней мили» заключается в ненулевой стоимости ее прокладки и поддержания системы в рабочем состоянии.

Настоящая головная боль пришла, когда стали развивать системы мобильной связи для массового персонального обслуживания. А раз мобильной, значит нужно радио, ведь проводами человека не привяжешь. Тут уже нельзя кричать «во всю Ивановскую», а, наоборот, надо шептать тихо, на ушко, чтобы не мешать соседу, которому тоже что-то шепчут. Другими словами, с каждым абонентом нужно связываться по отдельному радиоканалу. А к тому времени, как это осознали, свободных радиочастот почти не осталось. Расхватали все подходящие диапазоны те самые радио- и телевещатели, авиация, космические системы, да и военные в стороне не остались, отхватив огромный кусок спектра. Тот, кто хоть раз листал нормативные документы по распределению радиочастот, может подтвердить: все частоты — начиная от десятка килогерц («сверхдлинные волны») и вплоть до сотен гигагерц («крайне высокие частоты») — застолблены и расписаны до последнего герца.

Казалось бы, радиочастот миллиарды герц и их должно было бы хватить всем. Тем более что с ними чего только не делают: и «уплотняют», и «режут», и набок кладут, чтобы выжать весь возможный ресурс. Но природу-мать не обманешь: выше некогда заложенного ею (и начальством) предела не прыгнешь. А потребности все возрастают… Задачка усложняется еще и тем, что люди имеют привычку скапливаться в одном месте, в городах, да к тому же хотят иметь связь одновременно и без задержек. И то, что есть благо для телефониста, оказывается серьезной проблемой для радиста. А еще кто-то придумал на свою голову беспроводной доступ к Сети, которого, по расчетам аналитиков, в 2004 году будут требовать до 300 млн. абонентов, притом что общее число абонентов мобильной связи, по данным Международного союза электросвязи, приблизится к 1 млрд. человек! (рис.1). И каждому потребуется свой персональный канал!

С другой стороны, понятно, что чем больше удастся охватить абонентов, тем дешевле для каждого из них будет связь. Пока себестоимость мобильных каналов связи остается довольно высокой, как за счет сравнительно дорогого оборудования, так и за счет расходов на поддержание сети. Подчеркиваю — себестоимость, а не только тарифы. Выходит, что каждому оператору выгодно иметь побольше каналов «последней мили», но каждый из каналов требует определенного ресурса радиочастот.

Возьмем для примера речь. Для ее качественной передачи по радиоканалу в аналоговом виде понадобится не менее 3 кГц в каждую сторону. Между соседними каналами надо оставить промежуток в несколько килогерц (в идеале — в 2,7 раза шире полосы полезного сигнала в обе стороны), поскольку, как ни крути, а идеального фильтра и трактов прохождения сигналов со строго прямоугольной частотной характеристикой не построишь. В результате для каждого канала выделяется по 30 кГц на передачу и столько же на прием (в самом крайнем случае — по 10 кГц). Таким образом, для передачи всего тысячи дуплексных каналов требуется 60 (20) МГц в полосе радиочастот.

В больших городах с миллионным населением таких каналов надо много, очень много. Свободных же частот в приемлемом диапазоне (200–3000 МГц) нет. Вот и получается, что основным и самым дорогим ресурсом в системах связи «последней мили» является радиочастотный ресурс (недавно в Великобритании было продано с аукциона пять лицензий на сотовую связь на общую сумму более 35 млрд. долларов).

Но умные люди придумали сотовую связь — радиосистемы, разнесенные в пространстве таким образом, что одни и те же частоты «работают» в разных точках, не мешая друг другу. Структура сотовых сетей в идеале очень напоминает пчелиные шестиугольные ячейки, покрывающие заданную территорию. В каждой соте ставятся базовые приемопередающие станции (БС), зона действия которых ограничена  [1]. Каждая БС использует набор частотно разнесенных каналов, отличный от используемого в соседних шести сотах. При этом соседние соты не создают помех друг другу. В удаленных сотах снова можно использовать частоты первой БС (см. рис. 2, разные наборы частот показаны разным цветом). Таким образом, получается, что сеть сотовой связи может иметь Q=(N/7)*K одновременно действующих каналов, где N — общее число выделенных для сотовой сети частотных каналов, К — число БС (сот)  [2].

Отсюда вытекает простой, казалось бы, вывод: чтобы повысить потенциальную емкость сети (число одновременно действующих каналов), необходимо увеличивать количество сот, уменьшая их размеры. То же самое надо делать в местах возможного массового скопления граждан. Например, на стадионе, в бизнес-центрах, на рынках (рис. 3). Или в Японии, в которой куда ни глянь — везде массовое скопление граждан… Ах, как было бы хорошо операторам сетей мобильной связи, если бы люди равномерно расселились по Земле!

Теперь не надо объяснять, что число каналов является важнейшим ресурсом для любого сотового оператора. Чем больше каналов, тем больше можно привлечь абонентов, тем ниже можно установить тарифы, тем конкурентоспособнее становится бизнес.Однако эта логика верна лишь до определенного предела: следует учесть, что оборудование БС, расходы на его эксплуатацию, арендная плата и т. п. обходятся недешево. Например, средняя цена аппаратуры для системы AMPS/DAMPS составляет 500–850 долларов США на одного абонента при расчетном числе абонентов 10 тыс. человек. К тому же при уменьшении площади сот и увеличении их числа во столько же раз увеличивается среднее количество переходов абонента из соты в соту. Это усложняет операции по переключению каналов при смене сот (напомним, что в сопряженных сотах, кроме случая CDMA, частоты всегда разные) и требует увеличения числа служебных каналов. Последнее соображение не касается использования сотовых систем для работы со стационарными терминалами. Доля таких систем неуклонно растет, поскольку их построение зачастую обходится дешевле даже прокладки проводной сети.

Итак, далее речь пойдет о том, какими техническими средствами строили и строят «последнюю милю» в системах мобильной связи.

Первыми популярными системами сотовой связи стали системы с разнесенными по частоте (FDMA) каналами, передававшие модулированный по частоте (FM) аналоговый сигнал (см. рис. 4). Примером служат стандарты NMT400/450 (Nordic Mobile Telephone, диапазон 400 и/или 450 МГц), AMPS800 (Advanced Mobile Phone Service) и его американские варианты — NAMPS800 (Narrowband AMPS) и TACS (Total Access Communications System, все в диапазоне 800 МГц). В стандартах NMT и AMPS каналы нарезаются по 30 кГц в полосах шириной 25 МГц для прямого (передающего) и обратного (принимаемого) сигнала, в стандарте TACS каналам выделяется по 25 кГц, а в NAMPS — по 10 кГц. Наибольшее развитие у нас получили стандарты NMT450 и AMPS800.

Основной «системный» недостаток FDMA — малая эффективность использования полосы частот, а с точки зрения пользователя — «зашумленность» речи и случающиеся перерывы в связи при переходе из соты в соту. Другим серьезным недостатком, обнаружившимся только при эксплуатации, оказалась слабая защита от постороннего доступа, что привело к массовым случаям клонирования терминалов с целью воровства эфирного времени или подслушивания разговоров. Для борьбы с этим злом ничего лучше, чем милицейские операции, так и не придумали.

Развитием стандарта AMPS стал цифровой метод передачи — DAMPS. В этом случае аналоговые речевые сигналы преобразуются в стандартные для голосового симплексного канала цифровые потоки ИКМ с кодированием по а- или m-закону на скорости 64 кбит/с. При более сложном кодировании и при сохранении исходного качества передачи речи этот поток научились снижать сначала до 16 кбит/с, а затем и до 9,6 кбит/с. Наиболее «крутые» кодеки речи позволяют сузить канал до 4 и даже до 2,4 кбит/с, правда, при этом качество речи ухудшается, а сложность, энергопотребление и цена устройств возрастают.

Чтобы уменьшить расход спектра в многоканальных трактах передачи, придумали разделять каналы цифрового речевого сигнала на отдельные пакеты, размещаемые в циклически повторяемых временных промежутках — тайм-слотах. Метод назвали TDMA (пакетная передача с разделением по времени, рис. 5). В каждом из тайм-слотов содержится один речевой канал, а в составе пакетов кроме кода речевого сигнала передается служебная информация, временные синхронизирующие метки, а также схемы кодировки сигнала.

При таком методе не требуется устанавливать большие частотные промежутки между каналами, как в FDMA. Взамен тайм-слоты раздвигают во времени на некоторые защитные интервалы: сигналы мобильных терминалов, находящихся на разных расстояниях от БС, имеют разные задержки распространения, к тому же надо учитывать всегда имеющуюся нестабильность в синхронизации аппаратуры. И все же TDMA дает существенный выигрыш: в той же полосе аналогового тракта можно разместить в 3–4 раза больше каналов, чем при FDMA-методе. TDMA используется, к примеру, в американских сотовых сетях стандарта IS-54 (три канала в 30-килогерцовом канале AMPS или в 25-килогерцовом TACS).

Цифровая техника передачи (а TDMA — метод цифровой) дала заметные преимущества. Во-первых, втрое увеличилось число каналов. Во-вторых, цифровой сигнал был избавлен от шумов. В-третьих, сигнал может быть надежно защищен от постороннего доступа. И в-четвертых, каналы с временным разделением могут быть использованы для передачи как речи, так и данных. Наибольшее распространение метод TDMA получил в классической цифровой телефонии. Например, ISDN-сети построены именно на TDMA.

А в мобильных системах TDMA получил развитие в сетях стандарта GSM (Global System for Mobile Communications) и PDC (Personal Digital Cellular). В стандарте GSM восемь каналов размещаются в полосе 200 кГц. В выделенных диапазонах частот по 25 МГц размещается 124 такие полосы, что обеспечивает 992 канала связи (в AMPS в той же полосе всего 416 каналов, из которых 21 служебный). Скорость передачи сигнала составляет 9,6 кбит/с.

Стандарт GSM 900/1800 получил наибольшее распространение в мире и стал ведущим в группе стандартов второго поколения. Цифровая технология позволила легко расширить перечень услуг, предоставляемых абонентам. Операторы GSM-сетей предлагают следующие услуги: передача коротких текстовых сообщений (SMS), передача электронной почты, доступ к Интернету. Конечно, непосредственное применение GSM-связи для доступа к Интернету экономически невыгодно, поскольку стоимость доступа в несколько раз выше стоимости дайлапного модемного соединения. Да и с точки зрения оператора длительные сеансы связи уменьшают количество свободных каналов в системе, что приводит к снижению качества обслуживания абонентов, которым нужно лишь позвонить по телефону. Поэтому доступ к Интернету напрямую через GSM-терминал действующих сотовых сетей имеет смысл ограничивать малоинформативными каналами — новостными, почтовыми, справочными и платежными, а для более «емкого» трафика использовать каналы передачи данных типа HSCSD, GPRS и EDGE (об этом читайте в других материалах темы в одном из следующих номеров. — М. Б.-З.).

Всем GSM хорош, вот только с защитой данных вышел прокол: как сообщила в прошлом декабре «New York Times», два израильских гражданина (не бывшие ли, кстати, российские подданные?) сумели взломать алгоритм шифрования данных A5/1, используемый в стандарте GSM. Для этого взломщики, сумевшие обнаружить дыру в защите системы и получить доступ к чужим переговорам по сотовому телефону, воспользовались дорогим цифровым сканером, запрещенным к продаже во многих странах мира. В России наверняка с этим проблем бы не возникло — были бы деньги. Да и талантами, в том числе и криминальными, земля русская еще не оскудела.

В любом случае, в 1999 году в 120 странах мира было построено рекордное число GSM-сетей — 284, в которых зарегистрировано 183,3 млн. абонентов. На втором месте японский стандарт PDC: 42,3 млн. абонентов и 30 сетей. За ним следует TDMA: 24,3 млн. абонентов (большинство в США) в 104 сетях 34 стран мира. И наконец, CDMA: 31,5 млн. пользователей (большинство в Южной Корее) в 31 сети 12 стран.