Современные информационные технологии

Дубчак О. В., Шерепенко А. В.

Національний авіаційний університет, Україна

ТЕХНОЛОГІЇ МОБІЛЬНОГО ЗВ’ЯЗКУ 3G vs. 4G: ЕВОЛЮЦІЯ ЧИ КОНКУРЕНЦІЯ?

Вступ Технології мобільного зв’язку з часу свого виникнення пройшли складний шлях розвитку та міцно вкоренилися у повсякденному житті сучасної людини, яке неможливо уявити без використання цих технологій. Відомо, вони дають змогу значно полегшити процедуру зв’язку абонентів на відстані, а також в режимі реального часу забезпечують своєчасний доступ до інформаційних ресурсів.

Покоління мобільного зв’язку розрізняють, перш за все, за теоретично припустимою швидкістю передачі даних і технологіями, що для цього використовуються. Нині, у найбільш технологічно розвинутих країнах, широко функціонують мережі 3G та 3,5G. В ряді країн, що, так би мовити, «перескочили» даний етап, для широкого користування поступово стають доступними мережі четвертого покоління мобільного зв’язку.

Мережі третього покоління (3G) – набір послуг, що об’єднує як високошвидкісний мобільний доступ до мережі Internet, так і технологію радіозв’язку, що створює канал передачі даних. До мереж 3G можна віднести наступні стандарти мереж бездротової передачі даних: W-CDMA, CDMA2000, UMTS, HSDPA та Wi-Fi [1].

Мережі четвертого покоління (4G) –покоління мобільного зв’язку, що характеризується високою швидкістю передачі даних та підвищеною якістю голосового зв’язку. До технологій, що претендують на роль 4G, слід віднести LTE та Mobile WiMAX (IEEE 802.16e) [3].

Актуальність Звернувшись до практики технологічно розвинутих країн Європи та світу, можна відмітити, що мережі 3G з успіхом використовуються вже не перший рік, і нинішнє впровадження 4G є поступовим етапом еволюції мобільної телефонії, що гарантує підвищення якості зв’язку та швидкості передачі даних. На території країн пострадянського простору ситуація кардинально відрізняється. Справа в тому, що тут стандарти третього та четвертого покоління з’явилися майже одночасно, а деякі країни поставили за мету одразу перейти до впровадження мереж 4G, тобто відмовились від використання функціоналу, що надають мережі третього покоління.

Постановка задачі Розглянувши технології мобільної телефонії 3G та 4G, проаналізувавши та порівнявши їхні сьогоднішні можливості та потенціал, авторами здійснено спробу дати об’єктивну оцінку перспективам їх розвитку як на території СНД, так і за його межами.

UMTS & HS(D)PA – теперішнє і майбутнє мобільних технологій 3G

Особливостями стандартів третього покоління мобільної телефонії є:

- наскрізна підтримка IP. Іншими словами, якщо раніше ядро мережі було орієнтовано на обслуговування тільки голосових сесій, а трафік даних оброблявся окремо, то тепер вони обслуговуються одними і тими ж елементами мережі;

- програмна комутація;

- окрема підсистема мережі, що призначена для обслуговування сервісів та послуг – IMS. Спочатку передбачалося, що оператори самостійно будуть надавати різноманітні послуги типу IM, presence, IPTV тощо. Фактично ця частина стандарту виявилась найменш очевидною для операторів і часто навіть не використовується при побудові мережі на основі технологій третього покоління;

- більш продуктивні радіо інтерфейси, з якими й прийнято асоціювати 3G.

Побудова мереж третього покоління базується, в основному, на двох технологіях: UMTS (власне 3G), HSDPA (3,5G), HSPA (3,75G).

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) – технологія стільникового зв’язку, розроблена Європейським Інститутом Стандартів Телекомунікацій (ETSI) для впровадження технології 3G в Європі. В якості способу передачі даних крізь повітряний простір використовується технологія WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), що застосовує широкосмуговий множинний доступ з кодовим розподіленням каналів (дві широкі смуги радіочастот по 5 МГц).

HSPA (High Speed Packet Access) – технологія бездротового широкосмугового зв’язку, що використовує пакетну передачу даних і є додатковим налаштуванням для мобільних мереж W-CDMA/UMTS.

Дана технологія базується на двох попередніх стандартах: HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) та HSUPA (High Speed Uplink Packet Access), які впроваджуються операторами мобільного зв’язку послідовно у відповідному порядку.

Технологія HSDPA (3,5G) належить до сімейства стандартів, що використовують пакетну передачу даних. Пропускна здатність HSDPA в стартовому варіанті склала 1,8 Мбіт/с, а теоретичний максимум – 14,4 Мбіт/с. Щоправда, до теоретичного максимуму ще досить далеко, на сьогодні реально можлива швидкість завантаження даних із Всесвітньої мережі становить 7,2 Мбіт/с. Недоліком HSDPA є доступність високої швидкості передачі даних лише для отримання даних, для відправки ж даних швидкість дорівнює базовому для WCDMA значенню в 384 Кбіт/с.

Цей недолік було ліквідовано із впровадженням HSUPA, що дозволяє проводити відсилку даних (uplink) зі швидкістю до 5,7 Мбіт/с.

Сьогодні оператори мобільного зв’язку третього покоління впроваджено у роботу технології HSPA (HSDPA+HSUPA) та HSPA+, в якій використовуються більш складні види модуляції: 16QAM (Uplink) і 64QAM (Downlink). Як наслідок, використання HSPA+ дозволяє збільшити швидкість від абонента - до 11 Мбіт/с та до абонента - до 42 Мбіт/с [1].

Mobile WiMAX & LTE – претенденти на звання 4G мережі

Як зазначалося вище, для технології 4G характерним є висока швидкість передачі даних та підвищена якістю голосового зв’язку. 4G передбачає відмову від канальної комутації голосу та перехід до all-IP. Тобто стек Internet-протоколів має стати єдиним транспортом трафіку як для передачі голосу, так і на рівні ядра мережі. Це означає перехід до VoIP (Voice over IP) як єдиного способу організації голосового спілкування [3].

Відомо, що до четвертого покоління відносяться технології, які дозволяють реалізувати передачу даних зі швидкістю, котра перевищує 100 Мбіт/с. Прикладом технології 4G є WiMAX, що має теоретичну межу пропускної здатності до 1 Гбіт/с; та LTE (Long Term Evolution), що передбачає теоретично можливу швидкість передачі даних до користувача - до 382 Мбіт/с.

WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) – телекомунікаційна технологія, що розроблена з метою надання універсального бездротового зв’язку на великих відстанях для широкого спектру пристроїв (від робочих станцій та портативних комп’ютерів до мобільних телефонів).

IEEE 802.16-2005 (IEEE 802.16e, Mobile WiMAX) – специфікація, що оптимізована для підтримки мобільних користувачів; підтримує ряд специфічних функцій, а саме: handover, idle mode, роумінг. Специфікація використовує OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) доступ, завдяки якому можлива робота мережі за умов відсутності прямої видимості між абонентськими станціями та користувачами [4].

LTE (3GPP Long Term Evolution) – технологія мобільної передачі даних, що покликана на вдосконалення CDMA та UMTS для задоволення майбутніх потреб у швидкості передачі даних. Ці вдосконалення можуть підвищити ефективність, знизити витрати, розширити і вдосконалити послуги, що надаються сьогодні, а також інтегруватися з уже існуючими протоколами передачі даних.

Радіус дії базової станції LTE може бути різним, залежно від потужності та частот, що використовуються. В оптимальному випадку радіус становить 5 км, але при необхідності радіус дії базової станції може складати і 30 км або навіть 100 км [2].

3G & 4G – два етапи у розвитку мобільної телефонії чи конкуренція за один сегмент ринку?

Головна відмінність мереж четвертого покоління від попереднього, третього, в тому, що технологія 4G повністю базується на протоколах пакетної передачі даних, у той час як 3G поєднує в собі як передачу голосового трафіку, так і пакетів даних.

Виникає важливе питання стосовно призначення технології четвертого покоління: чи вони покликані розширити вже існуючі послуги мобільної телефонії, чи - впровадити у життя нові стандарти високошвидкісної передачі даних, несумісні з попередніми, що дозволить їм конкурувати на ринку мобільних технології за потенційного користувача?

Для початку, слід з’ясувати, яку саме з представлених технологій високошвидкісного зв’язку вважати справжнім представником четвертого покоління технологій мобільного зв’язку: LTE чи Mobile WiMAX?

Якщо виходити з вимог, які поставлено перед технологією 4G, то, окрім використання протоколів пакетної передачі даних та високої швидкості на їх передачу (понад 100 Мбіт/с), мережі четвертого покоління мають бути інтегрованими з мережами попередніх поколінь (UMTS,GSM).

Якщо розглядати технологію WiMAX з цієї позиції, то даний стандарт не можна віднести до четвертого покоління, згідно з пред’явлених до нього вимог. Справа в тому, що в мережах WiMAX не надаються стандартні послуги зв’язку, такі як голосовий зв'язок чи SMS. Хоча передача голосових даних в IEEE 802.16e можлива з використанням технології VoIP.

З іншого боку, Mobile WiMAX підтримує пакетну передачу даних та має теоретичну межу швидкості передач даних в 1 Гбіт/с. Але впровадження WiMAX як технології мобільного зв’язку зіштовхується одразу з рядом проблем, серед яких: нове обладнання для передачі даних, абонентські станції, мобільні телефони, що використовують стек Internet протоколів (IP) як єдиний метод передачі інформації [5].

Тому технологія Mobile WiMAX має вагомого конкурента - мережі 3G з існуючим високим потенціалом інтенсивного та екстенсивного розвитку.

Причому сьогодні 3G мережі мають ряд переваг:

- за відсутності покриття території в стандарті UMTS/HSDPA, користувач може використовувати сервіси передачі даних, але з меншою пропускною здатністю (на рівні WCDMA або GPRS/EDGE), тобто присутня інтеграція із мережами попередніх поколінь;

- технологія UMTS/HSDPA розрахована на велику кількість одночасних користувачів, в той час як WiMAX обмежується розглядом десятків, в кращому випадку – сотень терміналів [1].

В той самий час зв'язок між абонентськими станціями по WiMAX можливий і за відсутності прямої видимості між ними.

Мережі 3G із початку розвитку поступово наближаються до порогу своєї спектральної ефективності, в той час як WiMAX має декілька можливих шляхів розвитку пропускної здатності, виграш у якій нині є не досить очевидним – це нові частотні діапазони (від 10 до 66 ГГц), нові схеми модуляції, антени MIMO (Multiple Input Multiple Output).

Отже, виділити серед двох технологій однозначного фаворита неможливо. З урахуванням європейського досвіду з впровадження мобільних технологій, слід зазначити, що то на європейському просторі вже давно функціонують та прижилися мережі 3G та 3,5G, і для технології WiMAX буде надзвичайно важко конкурувати з ними в якості мобільної мережі четвертого покоління. Щодо території пострадянських держав, то технології третього покоління та WiMAX з’явилися тут майже одночасно, тому конкуренція за потенційного користувача буде проходити майже на рівних.

Як зазначалося, до технології 4G ще відноситься і технологія під назвою LTE.

На відміну від WiMAX, дзвінок або сеанс передачі даних, ініційований в зоні покриття LTE, технічно може бути переданий без розриву в мережу 3G (W-CDMA, CDMA2000) або в GSM/GPRS/EDGE. Таким чином, розвиток мереж LTE можливий на вже розвинутих мережах як GSM - операторів, так і операторів CDMA, що суттєво знижує вартість розгортання мережі, на відміну від WiMAX.

Прогнозується, що в найближчому майбутньому технологія LTE прийде на зміну мережам 3G в усьому світі, ставши їх правонаступником, а не конкурентом.

За даними аналітичної компанії Juniper Research, до 2015 р. кількість абонентів мобільних мереж LTE перевищить 300 000 000 користувачів. При цьому найбільша кількість користувачів перспективною технологією буде в Західній Європі (за аналогією з технологією третього покоління).

Перші LTE мережі, впровадженням яких займаються компанії TeliaSonera та Ericsson, вже успішно функціонують в європейських столицях - Стокгольмі та Осло [2].

Висновки Отже, на відміну від 3G, стандартизованого Міжнародним союзом електрозв’язку як IMT-2000, загальноприйнятого визначення для 4G не існує. Можна лише зазначити, що четверте покоління характеризується високою швидкістю передачі даних (понад 100 Мбіт/с), підвищеною якістю голосового зв’язку та переходу до пакетних протоколів передачі даних як єдиного транспорту будь-якої інформації на всіх рівнях ієрархії мережі. Тому сьогодні неможливе однозначне позиціонування технології WiMAX як одного зі стандартів 4G.

Слід відмітити, що 4G - мережі перебувають лише у стані розвитку та тестової експлуатації, практично функціонують лише LTE та WiMAX. Що ж стосується технології UMB, ще одного претендента на технологію 4G, то терміни її розробки та введення в експлуатацію поки невідомі.

Відповідаючи на поставлене вище питання дослідження, необхідно зазначити, що специфікація IEEE 802.16e (Mobile WiMAX) є прямим конкурентом мереж третього покоління за один сегмент ринку, де багато в чому поки виграють раніше розроблені технології; що ж до LTE, то це - ніщо інше як еволюція поколінь мобільної телефонії, які, за прогнозами, стануть недалеким майбутнім мобільного зв’язку.

Можливі суперечки з приводу того, яка з технологій в майбутньому переможе. Про це можна буде із впевненістю сказати лише через декілька років, коли нагально зросте потреба у швидкості обміну даними з використанням мобільних мереж. Відомо, що нині ще ведуться роботи зі специфікації стандарту WiMAX 2.0 (IEEE 802.16m), що, за словами розробників, повністю відповідає вимогам четвертого покоління мобільних мереж; проводяться розробки технології UMB; існують посилання до розробок єдиного швидкісного стандарту на обмін даними під робочою назвою WiGig [3].

Можна з впевненістю зробити висновок лише пор те, що впровадження тих та інших технологій у масове використання буде зумовлено, перш за все, комерційними факторами. Тому, лідирує поки що технологія LTE, яку можливо розгорнути над вже існуючими мобільними мережами попередніх поколінь. WiMAX може конкурувати з операторами 3G - зв’язку лише в якості надання послуг мобільного доступу до мережі Internet, тобто технологію можливо використовувати як функціональне розширення мереж UMTS/HSDPA. Якщо щ розглядати WiMAX як повноцінну мобільну мережу, то вона потребує значних фінансових витрат на обладнання для абонентських станцій та кінцевих користувачів.

Література:

1. http://umtsworld.com – News and Information about 3G mobile networks.

2. http://www.3gpp.org/LTE – Long Term Evolution Technology.

3. http://www.diwaxx.ru – Портал о мобильной связи.

4. http://www.wimaxforum.org – WiMAX Forum.

5. И. В. Шахнович. Современные технологии беспроводной связи. – М.: Техносфера, 2006. – 285 с.