4.5.11 На шляху до четвертого покоління стільникових систем зв’язку (4g)

У стільниковому зв'язку зміна поколінь здійснюється значно швидче, ніж, скажімо, в індустрії персональних комп'ютерів або іншої подібної техніки.За останні три десятиріччя були розроблені і діяли системи мобільного зв’язку декількох поколінь: системи першого покоління (1G)— це аналоговий зв’язок (стандарти NMT,АМРS,TAKS та ін.), другого покоління (2G) — покоління цифрового зв'язку з комутацією каналів (стандарти GSM і CDMA), системи третього покоління ( 3G) — (стандарт UMTS) в яких передбачається разом з комутацією каналів і пакетна передача даних. Мобільний зв'язок 3G зараз вважається як символ прогресу. Але вже в наш час вперед виривається наступне покоління стільникового зв'язку, іменоване 4G.

До сімейства 4G, як правило, відносять технології, які дозволяють передавати дані в стільникових мережах зі швидкістю вище 100 Мбіт/с. У широкому розумінні 4G — це ще і технології бездротової передачі інтернет-даних Wi-Fi (швидкісні варіанти цього стандарту) і WiMAX (у теорії швидкість може перевищувати 1 Гбіт/с.). У найпоширенішому зараз в світі стандарті стільникового зв'язку GSM/EDGE (2G) межа швидкості передачі даних складає всього 240 Кбіт/с. У мережах третього покоління (3G), розгорнених зараз в Європі, США і деяких країнах Азії (Японія, Тайвань, Сінгапур), швидкість складає до 7-14 Мбіт/с.

Головна відмінність мереж четвертого покоління від попереднього, третього, полягає у тому, що технологія 4G повністю заснована на протоколах пакетної передачі даних, тоді як 3G сполучає в собі передачу як голосового трафіку, так і пакетів даних. Міжнародний союз телекомунікацій визначає технологію 4G як технологію бездротової комунікації, яка дозволяє досягти швидкості передачі даних до 1 Гбіт/с в умовах руху джерела або приймача і до 100 Мбіт/с в умовах обміну даними між двома мобільними пристроями. Пересилка даних в 4G здійснюється по протоколу IPv6 (IP версії 6). Це помітно полегшує роботу мереж, особливо якщо вони різних типів. Для забезпечення необхідної швидкості використовуються частоти 40 і 60 GHz. У приймально -передавальному устаткуванні для систем 4G застосована технологія мультіплексування з ортогональним розділенням частот OFDM. Така методика маніпулювання сигналом дозволяє значно «ущільнити» дані без взаємних перешкод і спотворень. При цьому відбувається розбиття по частотах з дотриманням ортогональності: максимум кожної несучої хвилі доводиться на той момент, коли сусідні мають нульове значення. Цим виключається їх взаємодія, а також ефективніше використовується частотний спектр — не потрібні захисні «проти інтерференційні» смуги. Для передачі сигналу застосовується фазова модуляція (PSK і її різновиди), при якій пересилається більше інформації за відрізок часу, або квадратно амплітудна модуляція (QAM), сучасніша і дозволяюча забеспечити максимальну пропускну спроможність каналу. Конкретний тип модуляції вибирається залежно від необхідної швидкості і умов прийому. Сигнал розбивається на певну кількість паралельних потоків при передачі і збирається при прийомі.

Для упевненого прийому і передачі на надвисоких частотах планують застосовувати так звані адаптивні антени, які зможуть підстроюватися під конкретну базову станцію. Але в умовах міста таким антенам у визначенні правильного напряму можуть перешкодити завмиранням сигналу — його спотворення, що виникають в процесі розповсюдження. Тут виручає ще одна особливість OFDM — стійкість до завмирань (для різних типів модуляції є свій запас на завмирання.

Найбільш технічно розвинені країни зараз активно переходять на використовування 3G, а в багатьох мережах вже застосовується технологія, що одержала позначення 3,5G. Але, на думку аналітиків телекомунікаційної індустрії, низка країн, де недавно дійшли необхідності упроваджувати мережі третього покоління, тепер вважатиме за краще «перескочити» на покоління вперед, почавши часткову експлуатацію 4G.

Ще в 2005 році японська компанія NTT DoCoMo повідомила про успіхи в роботі над новим стандартом бездротового зв'язку — були проведені вдалі експерименти по передачі даних на швидкості 100 Мбіт/с по бездротових каналах мережі 4G. Таким чином, всупереч всім очікуванням виявилося, що NTT DoCoMo випереджає конкурентів щонайменше на чотири роки. Але тільки в другій половині 2006 року крупні національні і міжнародні оператори почали офіційну співпрацю для розробки стандарту 4G. Робоча група Next Generation Mobile Network Cooperation (NGMNC) зібрала разом GSM- і CDMA-операторів зі всього світу, щоб визначити їх вимоги до мобільних мереж четвертого покоління. Основними членами групи стали Sprint Nextel, T-Mobile, Vodafone, KPN і Orange, до них приєдналися NTT DoCoMo і China Mobile. Це об'єднання відкриє підприємство у Великобританії, яке, у свою чергу, в липні 2007 року почало розробку повномасштабної мережі з пакетною комутацією даних. Однією з технологічних задач групи є підготовка плавного переходу на 4G зі всіх 3G. За словами учасників NGMNC, запуск комерційних мереж на базі нового стандарту намічений на 2010 рік.

Але в Китаї, як це часто буває останнім часом, дотримуються інших поглядів на розвиток технологій. Після декількох місяців випробувань була запущена в експлуатацію перша в світі мережа мобільних комунікацій четвертого покоління — вона почала функціонувати в шанхайському районі Чангнінг. Система забезпечує швидкість бездротової передачі даних до 100 Мбіт/с, що зіставно з швидкістю, яку дозволяють досягти оптоволоконні технології. Тут потрібно помітити, що дослідницький проект по переходу від 3G до 4G був запущений Китаєм ще в 2001 році. Запуск діючої системи обійшовся в $19,2 млн.

У Європі також готуються до запуску перші мережі мобільного зв'язку четвертого покоління. Про свою участь в проекті LTE (Long-Term Evolution) заявили європейські оператори T-Mobile International, Orange і Vodafone Group, а також виробники мобільного устаткування Alcatel-Lucent, Nokia Siemens Networks, Nortel Networks і Ericsson. Тестовий запуск LTE почався в травні 2007 року, а в комерційну експлуатацію перші мережі планується запустити в 2009-2010 роках. Експерти вважають, що до цього терміну можна розвернути мережі 4G, але покриття базових станцій буде швидше «осередковим». Фахівці також упевнені, що навряд послуги 4G стануть популярними у європейських абонентів найближчими роками. Адже навіть зараз після запуску перших мереж третього покоління 3G в Європі вони використовуються менш ніж на половину своїх можливостей. Аналітики пов'язують це із завищеними тарифами на послуги зв'язку третього покоління.

Таким чином, важливу роль в успіху 4G виконуватиме цінова політика європейських операторів. Адже, насправді, далеко не всі користувачі зацікавлені у високошвидкісному мобільному Інтернеті і пов'язаним з ним послугах — більшості потрібен звичний голосовий зв'язок. Враховуючи проблеми 3G, вплив технологій зв'язку четвертого покоління на ринок телекомунікаційних послуг в Європі стане помітним лише до 2020 року, прогнозують песимісти.

Зараз в США оператор мобільного зв'язку Nextel розглядає можливість відмовитися від 3G на користь системи 4G компанії Flarion, яка щосили розкручує своє дітище. «Перевірка життєздатності 4G охопить 150 базових станцій в найбільших містах півдня Америки», — повідомляє Nextel, розширюючи область тестування.

Очікувалось, що в IV кварталі 2007 року відразу чотири компанії оголосять про початок надання послуг зв'язку четвертого покоління в декількох крупних містах України. Такий прогноз зробив на підставі переговорів з трьома операторами про поставку устаткування генеральний директор "Nortel Україна" Євгеній Лісицин: «Дані оператори одержать ліцензії і почнуть надання послуг з технології Mobile WiMAX. Послуги 4G сьогодні в Україні можуть надаватися саме за технологією WiMAX. Решта технологій з'явиться на ринку лише в 2008-2009 роках».

В Україні серед компаній мобільного зв'язку конкурентною перевагою володіють CDMA-оператори, оскільки для надання послуг нового покоління їм не потрібно придбавати ліцензії на нові частоти: нове устаткування працює на тих же частотах.

Експерти відзначають, що на шляху введення в експлуатацію мереж 4G є ряд перешкод. По-перше, на ринку немає абонентних пристроїв. Такі телефони, якби існували, споживали б дуже багато енергіЇ і не могли б довго працювати на акумуляторах (зараз подібні проблеми є і у 3G-пристроях). По-друге, швидкісний доступ в Інтернет і відеосервіси потребують великих за розміром і якісніших дисплеїв, ніж ті, які встановлюються в нині діючі телефони.

Але головна проблема носить принципово інший характер. Річ у тому, що капіталовкладення в розгортання мереж четвертого покоління повинні бути набагато соліднішими, ніж в 2G і навіть в 3G. Тим часом, інвестори поки є обережними — вони не упевнені в належній економічній віддачі від 4G-проектов. До того ж, деякі виробники пропонують «схрестити» 4G і бездротові широкосмугові мережі. У різних ситуаціях користувач матиме нагоду вибирати найбільш відповідні способи підключення.

Нові можливості в передачі величезних обсягів даних, які надаються технологією 4G, вже зараз примушують операторів мобільного зв*язку задуматися про розширення свого бізнесу. Якщо сьогодні основним товаром на цьому ринку є мелодії і простенькі ігри, то поява 4G зробить набагато актуальнішим мобільне телебачення, video-on-demand (VOD — «відео за запитом»), «просунуті» ігри і т.п. Крім того, завдяки 4G стануть можливі мобільні відеоконференції (відео чати) і мобільні peer-to-peer-мережі. За прогнозами дослідницької компанії Screen Digest, до 2011 року у всьому світі налічуватиметься щонайменше 140 млн. підписчиків сервісів мобільного телебачення. Щорічний сукупний дохід цього ринку через п'ять років досягне показника в 4,7 млрд євро. Аналітики вважають, що потенційно сервіси мобільного ТБ можуть приносити набагато більший прибуток, ніж ігри і музика для стільникових апаратів.

Об'єм ринку мобільних ігор в даний час складає порядку 1,6 млрд євро, причому 50% з цієї суми доводиться на Південну Корею і Японію. До 2011 року цей ринок збільшиться ненабагато і оцінюватиметься в 2 млрд євро. Причиною такого незначного зростання фахівці називають прагнення стільникових операторів сфокусуватися на музичних і телевізійних мобільних сервісах, а не на іграх. На ринку музичного мобільного сервісу протягом наступних п'яти років, навпаки, спостерігається вибухове зростання. Об'єм ринку порівняно з показниками 2006 року збільшиться в 8 разів і складе 1,47 млрд євро. Одним з основних чинників зростання стане доступність підписних сервісів, які пропонують користувачам не тільки аудіотреки, але і супутні (зокрема мультімедійні) матеріали. Хоча до 2011 року більшість музичних композицій стільникові абоненти буде, як і сьогодні, завантажувати на мобільники з персональних комп'ютерів.

4.6 Транкінгові системи мобільного радіозв'язку

4.6.1 Загальні принципи побудови транкінгових систем

Транкінговим системам зв‘язку (ТСЗ) виділені діапазони частот 160, 450 й 900 МГц із дуплексним рознесенням між каналами передачі та прийому 4,6; 10,0; 45,0 МГц відповідно. Частоти передачі базової станції вибирають більш високими, ніж частоти передачі абонентської станції. Залежно від діапазонів (160; 450; 900 МГц) радіуси зон обслуговування становлять величину 20; 10...15 й 5...10 км відповідно.

У залежності від навантаження в ТСЗ використовується обладнання, що складається з апаратури декількох каналів, максимальна кількість яких може досягати 32-х. Узагальнену структурну схему ТСЗ наведено на рис.4.51.

Рисунок 4.51 - Узагальнена структурна схема транкінгової системи зв'язку

До складу ТСЗ входять базова станція й абонентські станції. У свою чергу до складу базової станції входять декілька (від 2 до 16) канальних прийомо-передавачів (ретрансляторів), пристрій об'єднання (роз'єднання) канальних радіосигналів, антена, пристрій управління, комутатор й інтерфейси ТМЗК і мережі передачі даних (МПД).

Абонентські станції можуть бути стаціонарними, автомобільними, портативними, вони можуть використовуватися в напівдуплексному або дуплексному режимах.

Ретранслятором є прийомо-передавач, що працює на одній парі несучих частот одного каналу. У дуплексному режимі роботи несучі рознесені на величину від 3-х до 45-ти МГц. У кожному частотному каналі шляхом часового ущільнення може бути організовано від 2-х до 4-х часових каналів. Для збільшення дальності зв'язку антену із круговою діаграмою спрямованості розміщують на найбільш високому місці зони обслуговування, використовують передавачі з потужністю 20...50 Вт.

При розташуванні базової станції на краю зони застосовуються спрямовані антени. Базова станція може мати в розпорядженні як єдину приймально-передавальну антену, так і роздільні антени для прийому та передачі. Для зменшення впливу багатопроменевого поширення радіохвиль на базовій станції може використовуватися рознесений прийом.

Пристрій управління забезпечує взаємодію всіх вузлів базової станції. Він також обробляє виклики, здійснює аутентифікацию абонентів (перевірку "свій-чужий"), ведення черг викликів і внесення записів у бази даних погодинної оплати. У деяких системах управління регулює максимально припустиму тривалість з'єднання з телефонною мережею.

Комутатор обслуговує весь потік вхідних і вихідних викликів (увесь трафік системи).

Інтерфейс ТМЗК в різних ТСЗ реалізується по дводротовій лінії або по чотирьохдротовій лінії з використанням цифрової системи передачі (ЦСП). Крім з'єднання із ТМЗК в умовах зростаючих потоків даних організовується інтерфейс із мережею передачі даних.

Термінал технічного обслуговування та експлуатації забезпечує контроль за станом системи, діагностику несправностей, облік тарифікаційної інформації, внесення змін у базу даних.Транкінгові системи призначені, у першу чергу, для створення мереж диспетчерського радіозв'язку. Тому характерною рисою ТСЗ є наявність у них диспетчерських пультів. Справа в тому, що транкінгові системи використовуються в першу чергу тими споживачами, чия робота не обходиться без диспетчера. Це служби охорони правопорядку, швидка медична допомога, пожежна охорона, транспортні компанії, муніципальні служби.

Диспетчерські пульти можуть включатися в систему по абонентських радіоканалах, або підключатися по виділених лініях безпосередньо до комутатора базової станції. В рамках однієї транкінгової системи може бути організовано декілька незалежних мереж зв'язку, кожна з яких може мати свій диспетчерський пульт.

Абонентське обладнання транкінгових систем містить у собі широкий набір пристроїв. Найбільш численними з них є напівдуплексні радіостанції, тому що саме вони найбільшою мірою підходять для роботи в замкнутих групах. Здебільшого це радіостанції з обмеженим числом функцій. Їхні користувачі, як правило, мають можливість зв'язуватися лише з абонентами усередині своєї робочої групи, а також посилати екстрені виклики диспетчерові. Втім, цього цілком достатньо для більшості споживачів послуг зв'язку транкінгових систем.

У транкінгових системах, особливо розрахованих на комерційне використання, застосовуються також дуплексні радіостанції, що скоріше нагадують стільникові телефони, але вони володіють значно більшою функціональністю в порівнянні з останніми. Дуплексні радіостанції транкінгових систем забезпечують користувачам повноцінне з'єднання із ТМЗК. Як напівдуплексні, так і дуплексні транкінгові радіостанції випускаються як в портативному, так і в автомобільному виконанні. Як правило, вихідна потужність передавачів автомобільних радіостанцій в 3-5 разів вище, ніж у портативних радіостанцій.

Відносно новим класом пристроїв для транкінгових систем є термінали передачі даних. В аналогових транкінгових системах термінали передачі даних - це спеціалізовані радіо модеми, що підтримують відповідний протокол радіо-інтерфейсу. Для цифрових систем більш характерне вбудовування інтерфейсу передачі даних в абонентські радіостанції різних класів. До складу автомобільного термінала передачі даних іноді включають і супутниковий навігаційний приймач системи GPS (Global Positioning System), призначений для визначення поточних координат і наступної передачі їхньому диспетчерові на пульт.

У транкінгових системах використовуються також стаціонарні радіостанції, переважно для підключення диспетчерських пультів. Вихідна потужність передавачів стаціонарних радіостанцій приблизно така ж, як в автомобільних радіостанцій.