WCDMA

WCDMA (англ. Wideband Code Division Multiple Access — широкополосный множественный доступ с кодовым разделением) — технология радиосвязи, используемая в сотовых сетях третьего поколения (3G). Представляет собой один из стандартов семейства UMTS (Universal Mobile Telecommunications System), обеспечивающий передачу голоса и данных с более высокой скоростью по сравнению с сетями второго поколения (2G).

История

Разработка WCDMA началась в середине 1990-х годов в рамках усилий по созданию глобального стандарта мобильной связи третьего поколения. В 1998 году Международный союз электросвязи (ITU) определил IMT-2000 как единую концепцию для 3G, в которую вошли несколько технологий, включая WCDMA. Основой для стандарта послужила технология CDMA (Code Division Multiple Access), применявшаяся ранее в сетях 2G стандарта IS-95 (cdmaOne).

Первые коммерческие сети на базе WCDMA были запущены в 2001 году в Японии (оператором NTT DoCoMo). В Европе и России внедрение началось с 2003–2004 годов. В России первые сети WCDMA/UMTS появились в 2005 году, когда операторы «большой тройки» (МТС, «Билайн», «МегаФон») начали тестовую эксплуатацию. К концу 2000-х годов WCDMA стал доминирующим стандартом 3G в мире, вытеснив конкурирующие технологии (например, CDMA2000).

Технические принципы

Множественный доступ с кодовым разделением

В основе WCDMA лежит метод CDMA, при котором каждый абонент использует уникальный псевдослучайный код для модуляции сигнала. В отличие от частотного (FDMA) или временного (TDMA) разделения, все пользователи одновременно передают данные на одной и той же несущей частоте, но с различными кодовыми последовательностями. Приёмник выделяет нужный сигнал, коррелируя его с известным кодом.

Широкополосность

Название «широкополосный» (Wideband) означает, что WCDMA использует полосу пропускания 5 МГц на один канал (вместо 1,25 МГц у CDMA2000). Это позволяет достичь более высоких скоростей передачи данных (до 2 Мбит/с в ранних версиях, до 42 Мбит/с в HSPA+).

Дуплексный режим

WCDMA поддерживает два режима дуплекса:

• FDD (Frequency Division Duplex) — частотное разделение приёма и передачи. Используется в большинстве коммерческих сетей. Для uplink (от абонента к базовой станции) и downlink (от базовой станции к абоненту) отводятся разные частотные диапазоны.
• TDD (Time Division Duplex) — временное разделение приёма и передачи. Применяется в непарных диапазонах частот (например, 1900–1920 МГц). Режим TDD реже встречается в коммерческих сетях, но используется в некоторых регионах (в том числе в России в диапазоне 2,5–2,7 ГГц).

Модуляция и кодирование

Для модуляции используются схемы QPSK (квадратурная фазовая манипуляция) и 16-QAM (квадратурная амплитудная модуляция с 16 состояниями). В более поздних версиях (HSPA+) применяется 64-QAM. Помехоустойчивое кодирование включает свёрточные и турбокоды.

Эволюция: от WCDMA к HSPA и HSPA+

Базовая версия WCDMA (Release 99) обеспечивала скорость до 384 кбит/с в downlink. Для повышения производительности были разработаны расширения:

• HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) — улучшенный канал вниз (до 14,4 Мбит/с). Внедрён в 2005–2006 годах.
• HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access) — улучшенный канал вверх (до 5,76 Мбит/с). Внедрён в 2007–2008 годах.
• HSPA+ (Evolved HSPA) — дальнейшее развитие (до 42 Мбит/с в downlink при использовании MIMO и 64-QAM). Появился в 2009–2010 годах.

Совокупность технологий HSDPA и HSUPA часто обозначают как HSPA (High-Speed Packet Access). Все эти версии обратно совместимы с исходным WCDMA.

Частотные диапазоны

WCDMA работает в различных частотных диапазонах, определённых 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Наиболее распространённые:

В России сети WCDMA развёрнуты преимущественно в диапазонах Band 1 (2100 МГц) и Band 8 (900 МГц). Использование диапазона 900 МГц позволяет улучшить покрытие в сельской местности и внутри зданий.

Архитектура сети

Сеть WCDMA/UMTS состоит из трёх основных подсистем:

• UE (User Equipment) — абонентское устройство (телефон, модем).
• UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) — сеть радиодоступа, включающая базовые станции (Node B) и контроллеры радиосети (RNC). Node B обеспечивают радиосвязь с UE, RNC управляют ресурсами и хэндоверами.
• CN (Core Network) — базовая сеть, разделённая на коммутацию каналов (CS — Circuit Switched, для голоса) и коммутацию пакетов (PS — Packet Switched, для данных). В ядре используются узлы MSC (Mobile Switching Center), SGSN (Serving GPRS Support Node) и GGSN (Gateway GPRS Support Node).

Применение

WCDMA используется для:

• Голосовой телефонии (с возможностью одновременной передачи данных — CSFB).
• Передачи данных: мобильный интернет, видеозвонки, MMS.
• Услуг на основе пакетной коммутации: потоковое видео, веб-серфинг, электронная почта.
• Машино-ориентированных коммуникаций (M2M), например, в системах телеметрии и умного учёта.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая спектральная эффективность по сравнению с 2G (GSM).
• Гибкое управление скоростью передачи в зависимости от качества канала.
• Поддержка хэндовера (передачи обслуживания) между сотами без разрыва соединения.
• Возможность одновременной передачи голоса и данных.

Недостатки

• Меньшая зона покрытия одной базовой станции по сравнению с GSM (особенно в диапазоне 2100 МГц).
• Более сложное и дорогое оборудование по сравнению с 2G.
• Чувствительность к помехам от других систем, работающих в смежных диапазонах.

Современное состояние

С начала 2010-х годов сети WCDMA постепенно вытесняются технологиями четвёртого (LTE) и пятого (5G) поколений. Многие операторы в мире (в том числе в России) объявили о планах по сворачиванию сетей 3G для переиспользования частот под LTE. Однако в ряде регионов, особенно в развивающихся странах и в сельской местности, WCDMA остаётся основным средством мобильного доступа в интернет. В России операторы «большой тройки» продолжают поддерживать сети WCDMA, но не развивают их активно, сосредоточившись на LTE и 5G.

Источники

• 3GPP Technical Specification 25.101: User Equipment (UE) radio transmission and reception (FDD).
• 3GPP Technical Specification 25.201: Physical layer — General description.
• Holma, H., Toskala, A. (2007). WCDMA for UMTS: HSPA Evolution and LTE. John Wiley & Sons.
• ITU-R M.1457: Detailed specifications of the terrestrial radio interfaces of IMT-2000.
• Материалы сайта «3GPP» (www.3gpp.org).
• Отчёты операторов связи (МТС, «Билайн», «МегаФон») за 2005–2023 годы.