Фемтосота

Фемтосоты продаются или предоставляются в аренду оператором мобильной связи (MNO) своим частным и корпоративным пользователям. Обычно размер фемтосоты сопоставим или меньше обычного маршрутизатора. Она подключается к широкополосному каналу пользователя. Существуют также интегрированные модели, совмещающие DSL-маршрутизатор и фемтосоту. После включения устройство подключается к мобильной сети оператора и расширяет покрытие. С точки зрения пользователя система реализует принцип plug and play — специальные навыки для установки не требуются.

В большинстве случаев^[4] пользователь должен зарегистрировать номера мобильных устройств, имеющих право подключаться к данной фемтосоте — обычно через веб-интерфейс оператора^[5]. Это действие выполняется однократно. При попадании указанных устройств в зону покрытия фемтосоты телефон автоматически переключается с макросоты на фемтосоту; большинство операторов реализуют механизмы индикации, например особое отображение имени сети. Все коммуникации в этом случае проходят через фемтосоту. При выходе из зоны покрытия, в том числе во время разговора, телефон выполняет «бесшовную» передачу соединения обратно в макросеть. Для работы требуется специальное «аппаратное» устройство — повысить до фемтосоты обычный WiFi- или DSL-маршрутизатор невозможно.

После установки в определённом месте большинство устройств оснащено защитными механизмами: при смене местоположения система информирует оператора. Возможность работы в новом месте зависит от политики оператора. При этом международное перемещение фемтосоты запрещено, так как она использует лицензированный спектр, принадлежащий разным операторам в разных странах.

Основные преимущества для конечного пользователя:

• Стабильное покрытие («пять делений»), если сигнал ранее отсутствовал либо был слабым;
• Повышенная ёмкость для передачи данных — особенно актуально при интенсивном использовании мобильного Интернета (для многих абонентов это неактуально, если в зоне работы фемтосоты есть WiFi);
• Возможность специальных домашних тарифов на исходящие звонки (зависит от политики оператора);
• Для корпоративных пользователей — объединение всех функций (единая адресная книга, единый телефон) вместо DECT и подобных решений;
• Улучшение автономности устройств за счёт снижения расстояния до передатчика;
• Повышение энергоэффективности сети, что дополнительно увеличивает время работы аккумулятора^[6];
• Возможность создания и внедрения новых сервисов и приложений для повышения пользовательского опыта:
  • В случае подключённых автомобилей использование фемтосот может выступать средством повышения безопасности дорожного движения (см. патент EP2647257B1 Валентина А. Алексеева^[7])

Фемтосоты могут применяться также для организации покрытия в сельской или труднодоступной местности.

Специализированные рабочие органы (например, 3GPP) опубликовали формальные спецификации фемтосот для наиболее распространённых технологий — WCDMA, CDMA2000, LTE и WiMAX. Все эти архитектуры следуют общей модели из трёх основных компонентов:

1. Самих точек доступа фемтосоты, которые выполняют расширенные функции по сравнению с макросотами — например, управление радио-ресурсами, самонастройка и самооптимизация. Устройства обычно подключаются к ядру оператора по IP через существующий DSL или кабельный модем.
2. Шлюз фемтосот, объединяющий защитный шлюз (завершает множество шифрованных IP-соединений от сотен тысяч фемтосот), сигнальный шлюз (агрегирует и проверяет трафик, аутентифицирует каждую фемтосоту) — взаимодействует с коммутационным ядром по стандартным протоколам, например Iuh.
3. Система управления и эксплуатации (например, загрузка обновлений ПО, диагностика). Обычно применяются стандартные протоколы управления, как TR-069, разработанный Broadband Forum и используемый для управления домашними модемами.

Ключевой интерфейс — между точкой доступа и шлюзом фемтосот. Стандартизация этого интерфейса позволяет использовать различные устройства с единым шлюзом, что усиливает конкуренцию. Для WCDMA-фемтосот применяется интерфейс Iuh — шлюз в этой архитектуре стоит между фемтосотой и ядром, реализуя трансляцию всех процедур так, что фемтосоты выглядят как контроллер радио-сети для существующих центров коммутации мобильной сети (MSC). Каждая фемтосота работает с фемтошлюзом, который взаимодействует с элементами ядра (MSC, SGSN). Модель предложена 3GPP и Femto Forum^[8]. Разработаны новые протоколы (HNBAP и RUA), из которых HNBAP предназначен для управления между HNB и HNB-GW^[9], а RUA обеспечивает прозрачную передачу сигнализации RANAP^[10].

В марте 2010 года Femto Forum и ETSI провели первый Plugfest, направленный на обеспечение совместимости стандартов Iuh^[11].

В стандарте CDMA2000, опубликованном в марте 2010 года^[12], для соединения фемтосоты с ядром применяется SIP. Голосовой трафик направляется через сервер конвергенции фемтосот (FCS), эмулирующий MSC. Само мобильное устройство не работает по SIP. В такой архитектуре фемтосота реализует функции SIP/IMS-клиента, преобразует сигналы 3G в формат SIP/IMS и передаёт голос по RTP согласно стандартам IETF.

Хотя коммерческий акцент сделан на UMTS, концепция применима к любому стандарту. Первый коммерческий запуск — устройство Airave (CDMA2000) компании Sprint (2007). Также ведутся разработки и коммерческое производство под стандарты GSM, TD-SCDMA, WiMAX и LTE.

Функции H(e)NB и соответствующие интерфейсы в целом совпадают с обычными HSPA/LTE базовыми станциями, за исключением некоторых дополнительных опций (например, режимы доступа для домашних и корпоративных пользователей, процедуры handover). Для LTE дополнительные возможности стандартизированы в 3GPP Release 9^[13].

Расположение фемтосоты существенно влияет на работу всей сети — это один из ключевых вопросов внедрения. Поскольку фемтосоты обычно используют тот же радиочастотный спектр, что и макросоты, не исключён риск ухудшения работы основной сети.

В современных реализациях предусмотрены различные методы уменьшения излучаемых помех — автоматическое обнаружение макросоты, регулировка мощности^[14] и выбор уникальных скремблирующих кодов. Однако уже после массового внедрения AT&T в 2011 году сообщала, что использование фемтосот при среднем и сильном сигнале может привести к нежелательным помехам^[15], хотя раннее иных мнений придерживались как AT&T, так и другие операторы.

Как отмечал Гордон Мансфилд (AT&T), в реальных развёртываниях при массовых испытаниях фемтосот и применении соответствующих методов борьбы с помехами значительных проблем не возникло, а увеличение числа фемтосот даже снижает суммарные помехи на восходящем канале.

В отчётах Femto Forum и 3GPP^[16] представлены выводы по возможным сценариям развёртывания (совместное использование частот с макросотами, разные морфологии ландшафта, закрытый и открытый доступ пользователей), в том числе следующие ключевые моменты:

1. В зонах отсутствия/плохого покрытия макро/фемто-помехи маловероятны;

2. При совместном использовании каналов макро- и фемтосот возможны помехи, однако, применение предлагаемых техник минимизации обычно позволяет их предотвратить;

3. При разнесенных каналах влияние минимально;

4. Наибольшая вероятность помех при закрытом доступе, при открытом доступе влияние минимизируется;

5. Результаты справедливы для диапазонов 850 МГц и 2100 МГц; в других диапазонах аналогично.

При успешной реализации техник смягчения интерференции фемтосотные сети могут увеличить ёмкость 10-100-кратно при минимальном появлении «слепых зон».

Также фемтосоты способны обеспечить существенно большие скорости передачи данных, чем макросотовые сети; ограничивающим фактором при этом часто становится только пропускная способность подключения к Интернету.

Базовые станции, включая фемтосоты, согласно законодательству обязаны обеспечивать возможность законного перехвата.

Регулирующие нормы^[17] требуют точного учёта расположения каждой базовой станции, а в случае аварий — передачи специальных координат службам спасения (E911, 112, 999 и др.), как для других систем связи. Для фемтосот это осложняется тем, что устройства продаются конечным пользователям и могут быть перемещены. Некоторые производители применяют встроенные GPS-модули с функцией блокировки работы при неправильном размещении^[18], однако надежность такой защиты ограничена из‑за слабого GPS-сигнала в помещениях.

Базовые станции, осуществляющие голосовую связь, должны обеспечивать возможность вызова экстренных служб (911, 112, 999 и др.), аналогично существующим системам проводной телефонии^[17], в том числе при отключении электроэнергии (за счёт резервного питания или возврата к альтернативной инфраструктуре).

При использовании домашнего подключения Ethernet или ADSL фемтосота делит канал с иными сервисами (просмотр сайтов, игровыми приставками, IPTV и др.). Большинство реализуемых решений предусматривает именно такое совместное использование, что может сказаться на качестве обслуживания.

Широкое использование технологии будет зависеть от качества работы как самой мобильной сети, так и стороннего интернет-подключения пользователя. При возникновении проблем абоненты нередко обращаются к оператору мобильной связи, даже если причина — сбой интернет-канала. Следовательно, операторы должны тщательно анализировать воздействие политики сторонних провайдеров и заранее информировать пользователей.

Также отмечены проблемы с трафиком — некоторые провайдеры активно применяют traffic shaping к IPSec-каналам, используемым фемтосотами.

Для соответствия требованиям FCC/Ofcom по спектру фемтосоты должны генерировать радиочастотный сигнал с высокой точностью на длительном интервале времени — задача усложняется присутствием сетевых задержек и джиттера в каналах передачи данных. В некоторых случаях применяется внешняя синхронизация (например, IEEE 1588, NTP); в макросотах часто используют синхронизацию по GPS^[18]. В документации отмечено, что для фемтосот стандарта 3GPP точность для внутренних базовых станций снижена с 50 до 100 частей на миллиард, а для HNB (Release 8) — до 250 частей на миллиард.

На конференции Black Hat 2013 в Лас‑Вегасе специалисты по безопасности продемонстрировали возможность использования фемтосоты Verizon для незаметного перехвата телефонных разговоров, данных и SMS любого подключённого устройства, а также возможность записи аудио до начала вызова и перехвата iMessage за счёт принудительного «понижения» передачи до обычного SMS. Аналогично показана техническая возможность дублирования CDMA-телефонов за счёт получения идентификатора устройства^[19].

Внедрение фемтосот в большинстве случаев улучшает покрытие сотовой связи без необходимости строить новые объекты инфраструктуры. Однако при этом пользователь обязан оплатить интернет-канал для передачи трафика и, как правило, дополнительную абонентскую или разовую плату оператору. Такая схема вызвала критику, поскольку абонент фактически компенсирует недостатки сети за свой счёт^[20]. С другой стороны, фемтосота обеспечивает персонализированную ячейку связи преимущественно для семьи или знакомых владельца^[21].

Мобильные операторы и провайдеры фиксированной связи используют разные модели бизнеса, так что доступность одних и тех же сервисов так или иначе может отличаться. Также WiFi обеспечивает доступ только к локальной сети (домашним серверам, медиаплеерам), которая не обязательно должна быть доступна извне.

По данным Informa и Femto Forum^[22], к декабрю 2010 года коммерческие услуги фемтосот предоставляли 18 операторов (ещё 30 находились на стадии подготовки).

В 2011 году было развёрнуто около 2 млн устройств, ожидается быстрый рост рынка (разделение на потребительский, корпоративный, операторский сегменты)^[23][24]. По оценке Berg Insight, к 2014 году поставки вырастут до 12 млн устройств в год^[25].

В США первым коммерческим внедрением CDMA-фемтосоты была сеть Cellcom (Wisconsin) — компания получила в 2009 году премию за значимые успехи на ежегодном форуме Femtocells World Summit в Лондоне. Далее развёртывание провели Sprint Nextel, Verizon Wireless, AT&T Wireless и др. Устройство Samsung Airave было запущено Sprint в июле 2007 г. сначала в Денвере и Индианаполисе^[26], с 17 августа 2008 началась общенациональная продажа. В январе 2009 г. аналогичную систему запустил Verizon, позднее — AT&T (устройства Cisco Systems и ip.access; впервые в США — поддержка HSPA)^[27]. В 2010 году осуществлены обновления до стандартов 3G CDMA (Sprint, Verizon; поддержка большего числа вызовов и высоких скоростей HSPA), в ноябре 2015 года T-Mobile US начал развёртывать фемтосоты 4G LTE (Alcatel Lucent).

В Азии первым значимым внедрением стала сеть SoftBank (Япония, 2009, устройства Ubiquisys), вскоре запущены пилотные проекты в сельских районах, с 2010 г. — бесплатное предоставление устройств. В Сингапуре — решение Starhub (Huawei, охват всей страны), Singtel ориентирован на малый бизнес. В 2009 г. China Unicom объявил о развёртывании собственной сети фемтосот, а NTT DoCoMo запустил сервис в ноябре 2009 года.

В Европе первым массовым оператором стала Vodafone (2009, оборудование Alcatel-Lucent). С 2010 года услуга под брендом SureSignal была распространена в Испании, Греции, Новой Зеландии, Италии, Ирландии, Венгрии и Нидерландах. За Vodafone последовали другие европейские операторы.

Начиная с 2019 года, все французские операторы, ещё предлагавшие фемтосоты, завершили их поддержку, сделав ставку на использование Voice over Wi-Fi в случаях, когда развёртывание полноценного 3G/4G покрытия затруднено.