Dziesięć lat upłynęło od pomysłu do pierwszego wdrożenia analogowej sieci komórkowej NMT, a sześć kolejnych zajęło uruchomienie cyfrowych rozwiązań komórkowych GSM. Czas wdrażania kolejnych generacji komórkowych staje się coraz krótszy, czego dowodem jest sieć radiowa UMTS, która weszła na rynek po następnych czterech latach. Jej podstawowym atutem jest szybka transmisja pakietowa, uzyskiwana dzisiaj w technologii radiowej HSPA (HSDPA + HSUPA).

Implementowana komercyjnie od 2006 r. technologia HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) stanowi dzisiaj podstawę komunikacji szerokopasmowej w rozwiązaniach 3,5G (UMTS), a pierwsze instalacje szybkiej transmisji w stronę sieci w technologii HSUPA (uplink) zaczynają pojawiać się komercyjnie. Ubiegły rok był okresem intensywnego wdrażania sieci HSPA, które są naturalnym kierunkiem ewolucji dla rozwiązań komórkowych GSM/WCDMA - technologii stosowanej w ponad 86% sieci bezprzewodowych. Pod koniec ubiegłego roku działało ponad 174 sieci tego typu w 76 krajach, w większości obsługując transmisje o szybkości nie mniejszej niż 3,6 Mb/s. Liczba użytkowników WCDMA/HSPA przekroczyła już 180 mln i wciąż rośnie w tempie 6,5 mln nowych klientów miesięcznie.

Najpierw HSDPA

Zaakceptowana w 1999 r. przez 3GPP (Third Generation Partnership Project) specyfikacja HSDPA wniosła wiele cech, dotąd nieobecnych w transmisjach komórkowych. Do najważniejszych należą: siedmiokrotne zwiększenie szczytowej prędkości transmisji (teoretycznie do 14 Mb/s w kanale 5 MHz) w porównaniu z najbardziej zaawansowanymi systemami UMTS, czterokrotne zwiększenie pojemności sieci czy skrócenie czasu przesyłania danych między siecią a terminalem. Optymalny przydział zasobów sieci łącznie z parametrami połączenia ustala stacja bazowa, która bierze pod uwagę: jakość kanału komunikacyjnego, techniczne parametry urządzenia, jego możliwości energetyczne oraz wymaganą klasę QoS.

W technologii HSPA - stanowiącej element szybkiej transmisji pakietowej systemu WCDMA (UMTS) - uzyskuje się dzisiaj komercyjnie transmisje z szybkością dochodzącą do 7,2 Mb/s w kierunku abonenta oraz do 1,9 Mb/s w stronę sieci. Istotne podniesienie przepływności w tych sieciach, a tym samym uzyskanie lepszej obsługi klientów ruchomych, będzie możliwe dopiero po wdrożeniu kolejnej technologii antenowej MIMO (Multiple Input Multiple Output) o teoretycznej szybkości dosyłowej sięgającej 20,6 Mb/s w aplikacji 2 x 2 MIMO. Pierwsze takie pokazowe instalacje pojawiły się u producentów komunikacji mobilnej w ubiegłym roku.

Wdrażanie HSDPA umożliwia globalną komunikację głosową wraz z ofertą mobilnych usług szybkiej transmisji danych, takich jak strumieniowe wideo o jakości SVCD (MPEG-2) lub DivX (MPEG-4), szybkie ściąganie dużych plików danych czy odsłuchiwanie plików muzycznych, jak też komórkowy dostęp VPN do sieci korporacyjnych. Najnowsza wersja HSPA zwiększa szybkość pobierania danych z obecnie dostępnych 384 kb/s (UMTS) do 14,4 Mb/s na jeden kanał stacji bazowej w HSDPA (downlink). Jest to jednak maksymalna wartość wymieniana w tym standardzie, podczas gdy spotykane dzisiaj rozwiązania mobilne sięgają najczęściej 3,6 Mb/s, a przepływność 7,2 Mb/s (klasa 8) w kierunku abonenta dopiero zaczyna się pojawiać w pierwszych rozwiązaniach komórkowych. Uzyskiwanie najwyższej przepływności 14,4 Mb/s (klasa 10) w kierunku abonenta nadal znajduje się w fazie laboratoryjnej.

W pakietowej transmisji danych HSDPA stosuje się bardziej wydajne rozwiązanie sygnalizacyjne ARQ (Automatic Repeat Request), w którym dane pakietowe są przekazywane wraz z sumami kontrolnymi. W sytuacji, gdy odbiornik stwierdza, że pakiet zawiera błędy, automatycznie żąda on od nadajnika jego ponownego przesłania, a terminal może powtarzać tę operację, aż uzyska poprawny pakiet bądź liczba retransmisji przekroczy ustalony limit. Ulepszony algorytm ARQ, znany dzisiaj jako HARQ (Hybrid ARQ), wyróżnia kilka sposobów transportu danych. Pierwszy z nich (Type I) wykorzystuje ARQ wraz z kodami wykrywającymi i korygującymi błędy danych po stronie odbiorczej. W przypadku, gdy zostaną ujawnione jakieś niezgodności, poprawną zawartość bloku odczytuje się, uruchamiając drugi kod (Type II). W wielu sytuacjach taka procedura nie wymaga powtórnego przesyłania uszkodzonego bloku danych, a więc rzeczywiście jest bardziej efektywna od retransmisji.

Usprawnieniem stosowanym w drugim i trzecim typie HARQ (Type II oraz Type III) jest nieodrzucanie uszkodzonych pakietów i wykorzystywanie ich do poprawnego odkodowania danych w kolejnym podejściu pakietowym. Odbiornik powtórnie zwraca się wtedy do nadawcy o przesłanie tej samej informacji i na podstawie danych pakietu uszkodzonego oraz ponownie otrzymanego dokonuje właściwego ustalenia poprawnej zawartości przetransmitowanego fragmentu danych.

Komercyjnie dostępna dzisiaj technologia HSPA podlega ciągłym usprawnieniom. Krokiem pośrednim w dążeniu do szybszej generacji komórkowej (LTE) jest pojawienie się udoskonaleń transportowych oznaczonych jako "HSPA Evolved", a także zastosowanie techniki antenowej MIMO (Multiple Input Multiple Output) oraz wyższych stopni modulacji 64QAM (zamiast 16QAM). W efekcie w sieciach z rozszerzeniem HSPA Evolved można uzyskać przepływność rzędu 40-80 Mb/s w kierunku do abonenta oraz ok. 20 Mb/s od abonenta do sieci (Ericsson).

Szybciej poprzez LTE

Milowym krokiem w rozwoju szerokopasmowych sieci komórkowych jest propozycja nowego standardu radiowego LTE (Long Term Evolution), którego funkcje już zostały przedstawione przez 3GPP (Third Generation Partnership Project). Projekt szybkich transmisji systemu radiowego LTE czwartej generacji komórkowej (4G) obejmuje rozwiązania usprawniające przekaz zarówno głosowych usług pakietowych, jak i szerokopasmową transmisję danych do terminali mobilnych. Chociaż finalne uzgodnienia standardu mają zakończyć się dopiero w 2009 r., niektórzy producenci już zaczynają modyfikować swe rozwiązania pod kątem przyszłego standardu.

System radiowy LTE stanowi ewolucyjny krok w stronę rzeczywiście szybkich transmisji mobilnych (powyżej 100 Mb/s), umożliwiających przekaz wideoinformacji związanych z rozwojem aplikacji multimedialnych. Będzie on zezwalał na korzystanie z technologicznie różnych terminali mobilnych, ma zapewniać komunikację multimedialną w czasie rzeczywistym wraz z dostawą usług telewizyjnych IPTV do aparatów komórkowych, a przede wszystkim stanowić wspólną platformę usługową IMS (IP Multimedia Subsystem) dla różnorodnych terminali bezprzewodowych.

Przewidywane maksymalne przepływności - oferowane przez sieci komórkowe LTE z wykorzystaniem podwójnych anten MIMO zarówno od strony stacji bazowych, jak i terminali - mają osiągać 144 Mb/s w kierunku do abonenta oraz ponad 50 Mb/s w stronę sieci, na nośnej radiowej o szerokości 20 MHz. Cała sieć ma bazować na uproszczonej architekturze, składającej się z jedynie dwóch rodzajów węzłów: stacji bazowej i węzła sieci szkieletowej. Według projektu wnoszone przez sieć opóźnienia pakietowe nie powinny przekraczać 10 ms, co oznacza siedmiokrotną poprawę w stosunku do rozwiązań HSPA.

Adam Urbanek

***

Pełna treść artykułu znajduje się w kwietniowym wydaniu miesięcznika NetWorld (04'08).