чивают пропускную способность систем CDMA.
Уровень принимаемого базовой станцией сигнала зависит от того, как далеко находится передатчик и какова мощность его передачи. На разном расстоянии от базовой станции может находиться большое количество мобильных устройств. Для выравнивания мощности получаемых сигналов используется удобный эвристический алгоритм: каждое мобильное устройство отправляет на базовую станцию сигнал с мощностью, обратной мощности сигнала, полученного им от базовой станции. Другими словами, устройство, принимающее слабый сигнал от станции, использует большую мощность, чем устройство, получающее сильный сигнал. Для повышения точности базовая станция дает обратную связь с указанием повысить, снизить или не менять мощность передачи. Это происходит достаточно часто (1500 раз в секунду), поскольку должное управление мощностью сигнала важно для минимизации взаимных помех.
Теперь опишем преимущества CDMA. Во-первых, CDMA может увеличивать пропускную способность за счет использования маленьких промежутков времени, в течение которых часть передатчиков ничего не отправляет. Как при вежливом разговоре: один из собеседников говорит, а второй молчит. В среднем линия занята только 40 % времени. Однако паузы могут быть небольшими и их трудно предсказать. При работе с системами TDM или FDM невозможно переназначать временные слоты или частотные каналы настолько быстро, чтобы воспользоваться этими короткими промежутками тишины. А вот в CDMA для снижения взаимных помех пользователю достаточно ничего не передавать. При этом вероятно, что какая-то часть пользователей не будет постоянно осуществлять передачу в загруженной соте. Таким образом, CDMA использует предполагаемые промежутки тишины для увеличения возможного числа одновременных звонков.
Во-вторых, в случае CDMA все соты используют один набор частот. Чтобы разделять передачи различных пользователей, в CDMA не требуется FDM (в отличие от GSM и AMPS). Это устраняет сложные задачи частотного планирования, повышает пропускную способность, а также упрощает использование базовой станцией нескольких направленных антенн — так называемых секторных антенн (sectored antenna) — вместо всенаправленных. Секторные антенны сосредоточивают сигнал в нужном направлении и снижают его уровень (а значит, и помехи) во всех остальных направлениях. Это, в свою очередь, повышает пропускную способность. Наиболее распространенной является трехсекторная архитектура. Базовая станция должна отслеживать перемещение телефонов из сектора в сектор. В случае CDMA это несложно, поскольку все частоты используются во всех секторах.
В-третьих, CDMA упрощает так называемую мягкую передачу обслуживания (soft handoff), при которой телефон переходит в распоряжение новой базовой станции до того, как отключается от старой. Благодаря этому соединение не прерывается. Мягкая передача обслуживания показана на илл. 2.43. При использовании CDMA она не представляет сложностей, поскольку все частоты используются во всех секторах. Альтернативный вариант — жесткая передача обслуживания (hard handoff), при которой старая базовая станция прекращает поддержку звонка до его перехода на новую. А если новая станция не способна принять управление (например, из-за отсутствия доступной частоты), то звонок внезапно обрывается. Разумеется, пользователи недовольны, но в данной архитектуре это неизбежно. Жесткая передача обслуживания традиционно используется при архитектуре FDM, чтобы избежать затрат на передачу/прием мобильным устройством на двух частотах одновременно.
Илл. 2.43. Мягкая передача обслуживания: (а) до; (б) во время; (в) после
2.6.6. Технология 4G: коммутация пакетов
В 2008 году МСЭ описал набор стандартов для систем 4G. Поколение 4G (или IMT Advanced) полностью основано на технологиях сетей с коммутацией пакетов, как и его предшественники, например технология LTE (Long Term Evolution — стандарт «долгосрочного развития»). Еще одного предшественника и родственную 4G технологию, 3GPP LTE, иногда называют «4G LTE». Это название может сбить с толку, поскольку «4G» фактически относится к поколению мобильной связи, а каждое поколение может насчитывать несколько стандартов. Например, МСЭ считает стандартом 4G и IMT Advanced, и LTE. К 4G относятся и другие технологии, такие как уже устаревшая WiMAX (IEEE 802.16). Формально LTE и «настоящее» 4G — различные версии стандарта 3GPP (версии 8 и 10 соответственно).
Главное преимущество 4G по сравнению с предыдущими системами 3G — использование коммутации пакетов вместо коммутации каналов. Это возможно благодаря нововведению — развитому ядру пакетной коммутации (Evolved Packet Core, EPC). Фактически EPC является упрощенной IP-сетью, отделяющей голосовой трафик от сети данных. Она производит передачу как голоса, так и данных в IP-пакетах. Следовательно, EPC является сетью передачи голоса по IP (VoIP, Voice over IP); ее ресурсы выделяются при помощи описанных выше вариантов мультиплексирования со статистическим разделением. EPC должна распределять ресурсы между множеством пользователей так, чтобы качество передачи голоса оставалось высоким. Требования к быстродействию LTE включают, помимо прочего, пиковую пропускную способность в 100 Мбит/с входящего и 50 Мбит/с исходящего направления. Чтобы достичь таких высоких скоростей, сети 4G используют набор дополнительных частот: 700, 850, 800 МГц и др. Еще один важный момент в стандарте 4G — «спектральная эффективность», то есть количество битов, которое можно передать за секунду на заданной частоте. Для технологий 4G пиковая спектральная эффективность должна составлять 15 бит/с/Гц для нисходящего соединения и 6,75 бит/с/Гц для восходящего.
Архитектура LTE включает следующие составляющие развитого ядра пакетной коммутации, как показано в главе 1 на илл. 1.19:
1. Обслуживающий шлюз (Serving Gateway, S-GW). SGW перенаправляет пакеты данных, чтобы в случае переключения с одного узла eNodeB на другой пакеты продолжали передаваться на пользовательское устройство.
2. Узел управления мобильностью (Mobility Management Entity, MME). MME отслеживает пользовательское устройство, отправляет на него пейджинговые уведомления и выбирает для него SGW при первом его подключении к сети, а также во время передач обслуживания. Кроме того, он отвечает за аутентификацию устройства.
3. Сетевой шлюз пакетного обмена данными (Packet Data Network Gateway, P-GW). P-GW служит интерфейсом между пользовательским устройством и сетью пакетного обмена данными (то есть сетью с коммутацией пакетов). Он выполняет функции выделения адресов в сети (например, с помощью DHCP), ограничения скорости, фильтрации, углубленного анализа пакетов и правомерного перехвата сообщений. Пользовательские устройства формируют службу, ориентированную на установление соединения со шлюзом пакетного обмена данными. Для этого используется так называемое виртуальное EPS-соединение (EPS bearer), которое устанавливается при подключении устройства к сети.
4. Сервер абонентов (Home Subscriber Server, HSS). MME запрашивает у HSS информацию о том, соответствует ли пользовательское устройство действующему абоненту.
Сеть 4G также включает развитую сеть радиодоступа (Radio Access Network, RAN). В RAN для LTE появились специальные узлы доступа, eNodeB, осуществляющие операции на физическом уровне (которому и посвящена эта глава). Также в ней существуют подуровни управления доступа к среде (Medium Access Control, MAC), управления каналами радиосвязи (Radio Link Control, RLC) и протокола управления пакетными данными (Packet Data Control Protocol, PDCP), специфичные для архитектуры сотовой сети. Узлы eNodeB осуществляют управление ресурсами и допуском, планирование и другие функции контроля.
В сетях 4G голосовой трафик может передаваться через EPC с помощью передачи голоса по LTE (Voice over LTE, VoLTE). Это позволяет системам связи отправлять голосовой трафик по сетям с коммутацией пакетов и устраняет любую зависимость от устаревших сетей передачи голоса с коммутацией каналов.
2.6.7. Технология 5G
Около 2014 года системы LTE достигли своего пика, и люди начали задумываться: что дальше? Разумеется, за четвертым поколением следует пятое. Вопрос о том, каким именно будет 5G, подробно обсуждался в работе Эндрюса и др. (Andrews et al., 2014). Через несколько лет под термином «5G» подразумевалось множество разных вещей — в зависимости от аудитории и того, кто говорит. По сути, очередное поколение технологий мобильных телефонных сетей свелось к двум основным факторам: более высокая скорость передачи данных и меньшая задержка, чем у сетей 4G. Конечно, это стало возможным благодаря конкретным технологиям, которые мы обсудим ниже.
Быстродействие сотовых сетей обычно оценивается по совокупной скорости передачи данных (aggregate data rate), она же пропускная способность на единицу площади (area capacity). Это общий объем данных в битах, который данная сеть способна передавать на единицу площади. Одна из целей, поставленных перед 5G, — увеличение пропускной способности на единицу площади на три порядка (то есть в 1000 раз больше, чем у 4G) с помощью сочетания следующих технологий:
1. Сверхуплотнение и разгрузка. Один из простейших способов повышения пропускной способности сети — увеличить количество сот на единицу площади. В то время как в сетях 1G соты были размером в сотни квадратных километров, сети 5G ориентированы на меньшие соты, включая пикосоты (диаметром менее 100 м) и даже фемтосоты (радиусом действия как у Wi-Fi, в несколько десятков метров). Одно из важнейших преимуществ уменьшения размера сот — возможность повторного использования спектра частот в заданной географической области. Это снижает число абонентов, конкурирующих за ресурсы конкретной базовой станции. Конечно, уменьшение размеров сот имеет и недостатки, в том числе усложнение управления мобильностью пользователей и передачи обслуживания.
2. Повышение полосы пропускания за счет использования волн миллиметрового диапазона. Основная часть спектра в предыдущих технологиях относилась к диапазону от нескольких сотен мегагерц до нескольких гигагерц (что соответствует волнам длиной от нескольких сантиметров до метра). Этот спектр все больше переполняется, особенно в местах скопления людей в час пик. В миллиметровом же диапазоне (20–300 ГГц, с длинами волн менее 10 мм) существуют значительные полосы неиспользуемого спектра. До недавних пор этот спектр считался неподходящим для беспроводной связи, поскольку более короткие волны хуже распространяются. Один из способов решения этой проблемы — использование больших массивов направленных антенн. Это существенный сдвиг в архитектуре по сравнению с предыдущими поколениями сотовых сетей: меняется все, начиная от свойств помех до процесса привязки пользователей к базовым станциям.