3G: рабочие частоты, стандарты мобильной связи

Описание omapv2230

Наиболее новое пополнение семейства OMAPVox — 3G UMTS чипсет OMAPV2230 (рис. 8). Запущенный в производство в ноябре 2005 г., чипсет OMAPV2230 представляет собой конкурентоспособное по цене изделие 3G. Многорежимный чипсет был разработан с NTT DoCoMo, чтобы обслужить мировой рынок 3G гарнитур.

Как часть беспроводной платформы OMAP-Vox, чипсет OMAPV2230 дает преимущество новейших технологических усовершенствований архитектуры OMAP2 и может обеспечить мобильное устройство такими функциями, как видео VGA (30 fps), цифровая фотокамера вплоть до 5 мегапикселей, различные интерактивные 3D игровые приложения.

Поддерживаются цифровые видеокамеры высокого разрешения и мобильное телевидение. Вдобавок к сказанному, чипсет OMAP2230 предоставляет оптимизированные мультимедиа-сервисы. Как часть беспроводной архитектуры TI, устройство OMAPV2230 будет включать в себя многорежимный EDGE и HSDPA, основанные на отработанных технологиях TI. Это второе поколение процессоров компании TI, изготавливающихся по 90 нм технологии.

Описание чипсета omapv1030

Чипсет OMAPV1030 был первым устройством в линейке продуктов OMAP-Vox. Он предназначен для использования в модемах GSM/GPRS/EDGE и изготовлен по маломощной 90 нм технологии производства цифровых чипов. OMAPV1030 позволяет реализовать такие функции, как видео QCIF с качеством 30 fps (фреймов в секунду)

или CIF 15 fps, он поддерживает декодирование видеопотоков MPEG4 и WB-AMR, декодирование звука AAC, MP3, AAC и 64-полосной MIDI полифонии, кроме того, имеется поддержка графических кодеков JPEG, GIF87a, GIF89a, PNG, BMP и WBMP; мегапиксельных цифровых фотокамер.

Структура чипсета OMAPV1030 приведена на рис 6. Она включает в себя два вычислительных процессора общего назначения, отдельную логику модема и связную периферию. В качестве процессорного ядра используется ARM926™, которое используется для обеспечения функционирования модема и других приложений.

Подсистема цифрового сигнального процессора ЦСП состоит из ведущей DSP-платформы TI, которая используется для обеспечения функционирования модема и выполнения некоторых операций мультимедиа-приложениями. Эти процессоры могут быть использованы в самых различных приложениям, основываясь на программном обеспечении, запущенном на них.

Эта программируемость позволяет тем же процессорам быть использованными в оборудовании UMTS. Архитектура проектировалась таким образом, чтобы модемы UMTS могли быть реализованы без существенного изменения базовой исходной архитектуры системы. Это дает гарантию производителям гарнитур, которые разрабатывают сегодня устройства 2,5G, что они найдут схожую архитектуру в 3G устройствах, обеспечивая таким образом повторное использование результатов НИОКР.

Поскольку это основывается на архитектуре OMAP, приложения, разработанные на функционально законченном процессоре, могут быть повторно использованы с чипсетом OMAPV1030. Эта философия может быть продолжена в будущих продуктах с новейшими версиями процессоров, модемов и соединительных интерфейсов.

В заключение краткого рассмотрения чипсета OMAPV1030 нельзя не отметить его широчайшие коммуникационные возможности: поддерживается интерфейс USB OTG, Bluetooth, мобильный WLAN и даже A-GPS (рис. 6). Такой набор обеспечил широкое применение этого чипсета в беспроводных устройствах самого различного класса.

Чипсет поддерживает ядро Nucleus/Linux, что существенным образом облегчает разработку программного обеспечения для устройств на его основе. Архитектура ПО для OMAPV1030 приведена на рис 7.

Описание платформы omap-vox

Основанная на ставшей де-факто стандартом использования в устройствах беспроводной связи передовых производителей (таких, как, например, Nokia, Ericsson, Sony, Sendo, HTC) технологии OMAP™, лидирующая в мире архитектура для беспроводных приложений платформа OMAP-Vox представляет собой крайне масштабируемое решение, адресованное различным рыночным категориям в то время, как оно обеспечивает высокий уровень «повторного использования» наработок конструкции и программного обеспечения.

OMAP-Vox органично вписывается в общую структуру технологии OMAP, развитие которой во времени приведено на рис. 5.

Семейство устройств OMAP-Vox объединяет в себе мощь интегрированных приложений OMAP для передовых модемов. Платформа предлагает законченное комплексное решение, содержащее в себе интегрированный модем, ВЧ и аналоговые подсистемы, систему управления энергопотреблением, а также полный спектр протестированных программных стеков протоколов, программных пакетов, предварительно сертифицированных форм-факторов базовых конструкций гарнитур и полный набор инструментов разработчика Development Toolkit.

Технология OMAP-Vox оптимизирована таким образом, чтобы обеспечить рациональную работу динамического сочетания различных приложений и baseband-коммуникаций на одном общем аппаратном обеспечении. Масштабируемая архитектура аппаратного обеспечения имеет достаточную производительность, чтобы позволить модему и приложениям разделять ресурсы и работать на одном процессорном ядре, составленном из ARM-процессора и цифрового сигнального процессора TI.

С гибкими открытыми интерфейсами для всех компонентов модема и приложений, платформа OMAP-Vox может быть легко модернизирована для того, чтобы обеспечить поддержку дополнительных функций, обеспечивающих дальнейшее развитие и расширение возможностей мобильных устройств.

Технология OMAP-Vox обеспечивает существенный выигрыш в затратах на НИОКР посредством повторного использования модемного программного обеспечения и приложений, разработанных и использующихся в устройствах 2,5G, в новых разработках, соответствующих стандарту 3G.

Межстандартная архитектурная схожесть позволяет повторное использование существующего программного обеспечения и дает, таким образом, возможность экономить разработчикам месяцы и годы, требующиеся для разработки и отладки качественного программного обеспечения.

В результате этого затраты на НИ-ОКР значительно сокращаются. С архитектурой OMAP-Vox испытанное и отлаженное программное обеспечение, которое разрабатывалось для систем 2,5G, может быть повторно использовано в новых платформах 3G. Время вывода изделия на рынок будет также сокращено тем фактом, что эта новая технологическая платформа обеспечивает доступ к экосистеме платформы OMAP: всемирной сети разработчиков программного обеспечения, системных интеграторов и создателей инструментов разработчика.

Чтобы удовлетворять жестким требованиям по безопасности, установленным операторами мобильной связи, производителями, контент-провайдерами и финансовыми службами, решения OMAP-Vox включают технологию безопасности M-Shield™. В числе этих расширенных функций безопасности — аппаратные акселераторы, поддерживающие безопасность абонентского терминала, безопасные транзакции.

Кроме сказанного, платформа OMAP-Vox дает множество других преимуществ, включая:

• Снижение системных издержек. Поскольку платформа OMAP-Vox интегрирует модем и приложения в одном устройстве, имеются лишь несколько компонентов в сравнении с архитектурой устройств, в которых для приложений и коммуникаций используются разные процессора, благодаря чему снижаются системные затраты. Кроме того, общей является и память, поскольку одна и та же подсистема памяти используется и модемомо, и приложениями, что также несколько снижает затраты.
• Меньший форм-фактор устройств. Технология OMAP-Vox позволяет выполнять устройства в меньшем форм-факторе, поскольку требует всего нескольких «обвязочных» компонентов на плате.
• Гибкость для модемов с расширенными возможностями. Архитектурная гибкость и производительность чипсетов в семействе OMAP-Vox обеспечивает больше чем достаточную для стандартов GSM, GPRS, EDGE и UMTS вычислительную мощность. Производительность чипсета опережает такие технологии, как HSDPA (со скоростью беспроводной передачи данных 14,4 Мбит/с), и максимальная скорость обмена данными примерно в 10 раз больше, чем может быть сегодня достигнуто через обычные кабельные модемы.

Введение

Технология GSM уже стала неотъемлемым атрибутом современного мира, и потребности рынка не дают ей остановиться на достигнутом. Уже сейчас мы наблюдаем переход к технологии 2,5G (EDGE), и весь мир готовится к переходу на более перспективный 3G. Как и всегда это было, Россия здесь стоит особняком, что связано с искусственным торможением внедрения технологии 3G посредством задержки выдачи лицензий российским провайдерам услуг сотовой связи.

Совершенствование сетей GSM идет по пути решения задач внедрения новых технических решений, обеспечивающих все большие скорости обмена данными и по пути интеграции с другими сетями радиосвязи. Пять поколений мобильной связи представлены в таблице. Как видно, сейчас мы уже достигли этапа массового внедрения 3G, а к 2022 году прогнозируется начало эры технологии 4G.

Напомню, что существующие TDMA-сети с EDGE обеспечивают реализацию новых сервисов, включая следующие:

• Он-лайн электронная почта.
• Доступ к WWW.
• Расширенные сервисы коротких сообщений
• Беспроводная графика с мгновенной передачей.
• Видео-сервисы.
• Совместное использование документов и информации.
• Контроль и наблюдение.
• Обмен голосовыми сообщениями через Интернет.

Однако некоторые операторы в Европе пропускают ступень 2,5G — EDGE и сразу переходят к UMTS (третье поколение мобильной связи, 3G). Эволюция мобильной телефонии на пути к третьему поколению приведена на рис. 1. На пути к UMTS в системах GSM совершенствование технологий идет по пути HSCSD (High Speed Circuit Switched Data) — высокоскоростной передачи данных с коммутацией каналов, реализации службы пакетной передачи данных GPRS, а также увеличения скорости передачи данных при помощи внедрения EGDE.

Как видно из таблицы, путь развития технологии GSM достаточно длителен, и, что также заметно, поколения мобильной связи будут развиваться параллельно, а не цепочкой, переходя друг в друга. Это связано с неоднородностью потребностей рынка в глобальном масштабе, а также с довольно высокой стоимостью гарнитурВ 3G на начальном этапе.

Частотный спектр, изначально выделенный для UMTS, показан на рис. 2.

ETSI в январе 1998 г. для UMTS объединило две технологии — WCDMA и TD-CDMA — в общий стандарт. Архитектура такой сети мобильной связи третьего поколения показана на рис. 3.

Скоростные возможности UTRA обеспечат обмен данными со скоростями более 144 кбит/с для полностью мобильных абонентских терминалов при любых условиях, 384 кбит/с для ограниченно подвижных приложений в макро и микро сотовых условиях, 2,048 Мбит/с для малоподвижных абонентов.

Существующие сети GSM, в том числе и с поддержкой технологии HSCSD, могут обеспечить только трафик сетей с коммутацией каналов. Поэтому одним из важных шагов на пути эволюции сетей GSM к UMTS и IMT–2000 стало внедрение услуг пакетной передачи GPRS, которая обеспечивает сквозную передачу данных от абонента до абонента в пакетном режиме по IP–протоколу со скоростью передачи до 115,2 кбит/с.

С системных позиций внедрение GPRS связано с добавлением в развернутую сеть GSM как минимум двух базовых узлов для поддержки службы пакетной передачи данных: сервисного узла SGSN (Serving GPRS Support Node) и шлюзового узла GGSN (Gateway GPRS Support Node) поддержки услуг GPRS.

Связь сети GSM с внешними сетями передачи данных по протоколам Х.25 и IP реализуется через узел GGSN, который играет роль шлюза между SGSN и PDN. Узел GGSN перенаправляет пакеты данных, поступающие из внешней сети PDN в узлы SGSN, а от них по радиоканалу пакеты поступают к мобильным терминалам. Вновь введенные узлы GPRS предназначены для наращивания сетевой инфраструктуры на базе IP–протокола.

Основное отличие технологии GPRS от высокоскоростной передачи HSCSD — новый механизм тарификации, допускающий возможность совместного использования несколькими абонентами одного канала (канального интервала) и одновременного предоставления нескольких видов услуг, например, прием сообщения от третьего абонента во время сеанса связи со вторым.

Texas Instruments решила популяризировать 3G, сделав его доступным для широких масс, представив архитектуру чипов для мобильных телефонов OMAP-Vox, одной из главных особенностей которой является возможность оперативного и безболезненного перехода от производства 2.

…и в красноярском крае

Сеть IMT-MC-450 компании ЕТК на момент запуска в 2005 году насчитывала только пять базовых станций и не обеспечивала полноценного покрытия Красноярска. Такая ситуация продолжалась до ноября 2006 года, ког­да ЕТК объявил о запуске 9 новых БС и внедрении тех­нологии EV-DO, обес­печившей скорость передачи данных на уровне 2,4 Мбит/с. А в 2008 году оператор запустил ана­логичную сеть в Норильске.

Сетей стандарта UMTS в Красноярске не было до 2008 года. Перво­проходцем стал «МегаФон», запустив­ший в режиме тестовой эксплуатации пять базовых стан­ций в июне 2008 года. А вот в коммерческую эксплуа­тацию 3G-сети в Красноярском крае первым запустил МТС — в Красноярске и Норильске в 2008 году. В итоге в настоящее время территориальное лидерство по раз­вертыванию сетей 3G в регионе закрепилось за МТС.

«В Норильске мы обеспечили 100-процентное по­крытие города, в Крас­ноярске за полгода увеличили ем­кость сети 3G в два раза, а до конца года обеспечили 100-процентное покрытие города. Конечно, останавливаться на достигнутом мы не намерены и в 2022 году планируем строительство 3G в других городах Красноярского края.

«МегаФон» осуществил коммерческий запуск сети UMTS позже — в июле 2009 года. Как и во время те­стовой эксплуатации, работают пока пять базовых станций, обеспечивающие островное покрытие в Крас­ноярске.

Однако в скором времени ситуация должна кардинально измениться: по словам менеджера по связям с общественностью Красноярского отделения «МегаФон» Романа Ушакова, к концу 2022 года планируется строитель­ство развернутых сетей связи третьего поколения в крупней­ших городах Красноярского края. Инвестиции под этот проект есть в полном объеме.

«В ближайшем будущем в России связь 3G не будет конкурентом стандарту GSM, — считает Роман Ушаков. — В силу больших геогра­фических про­странств, на которых осуществляется деятельность операторов мобильной связи, экономически нецелесообразно стро­ить сети 3G в тех населенных пунктах и территориях, где на услу­ги этих сетей спрос будет заведомо недостаточный.

Как показывает мировая практика, стандарты успешно сосуществуют и до­полняют друг друга. Другой вопрос, если у оператора нет лицензии на предо­ставление услуг сетей GSM в каком-либо из регионов, тогда иного выхода, кроме как развивать сразу сети третьего поколения, нет».

А вот последний оператор «большой тройки» — «Вымпел­ком» (работает под торговой маркой «Билайн») — до сих пор от­стает: фрагмент 3G-сети, запущенный в мае 2009 года, насчи­тывает только одну базовую станцию. В течение всего прошлого года компания не вела нового строительства по причине фи­нансовых затрат на объединение с «Голден Телекомом», планы на 2022 год также не были озвучены.

В свою очередь, ЕТК также вел поэтапное развитие сети: в ноябре 2008 года в Красноярске была внедрена технология EVDO rev. A (DORA), повы­сившая скорость передачи данных в сети до 3,1 Мбит/с. Затем в течение 2009 года сеть Wellcom заработала в Канске, Ачинске, Зеленогорске, Лесо­сибирске и Енисейске.

3g в мире…

Одним из лидеров в области внедрения новых мо­бильных технологий явля­ется Северная Америка. Здесь работают два крупных оператора — Verizon Wireless и Sprint Nextel, которые, так же как и их японские колле­ги, добились перевеса абонентской базы в сторону услуг и сервисов третьего поколения.

Оператор, выросший на базе сети GSM/GPRS — Cingular (AT&T Wireless), — естественным образом начал миграцию на стандарт W-CDMA, однако ему пока не уда­лось достичь таких успехов, как операторам CDMA2000. Но поскольку компания собирается уже в этом году вве­сти в строй обору­дование, поддерживающее оба протоко­ла скоростной передачи дан­ных — HSDPA/HSUPA, под­водить какие-то итоги пока рано.

3g и рынок

С точки зрения рынка, на технологию 3G нацелено много ожиданий, связанных с реализацией приложений нового уровня. Пользователи 3G будут наслаждаться широким диапазоном высокоэффективных приложений, поддерживаемых их устройствами, включая видеоконференции, Интернет-серфинг, новые многопользовательские сетевые игры, многомегапиксельные камеры, а также мобильное телевидение.

Причем следует отметить, что наряду с устройствами высшего класса, в которых реализовываются все указанные элементы одновременно, будет расти доля продуктов, в которых реализована поддержка лишь нескольких из этих элементов. Например, некоторые устройства будут сфокусированы на видеоиграх, а другие — на загрузке музыки из Глобальной Сети и ее воспроизведении с возможностями цифровой фотокамеры.

Каждый географический регион Мира будет требовать некоторой дифференциации в поддерживаемых возможностях устройств, таких, как, например, поддержка соответствующего языка и специфических для данного региона приложений. Удивительно, но приложения, весьма популярные в одном регионе, могут быть совсем невостребованными потребителями остальных областей.

Очевидно, что у разработчиков и производителей радиоэлектроники этого класса одними из ключевых задач стоят снижение затрат на НИОКР (в англоязычной литературе R&D — Research and Development) и сокращение времени вывода изделия на рынок. Планируется, что в будущем традиционные рыночные категории — Value Phone, Feature Phone, смартфоны и смартфоны с богатыми мультимедийными возможностями — нужно будет адресовать более гибким образом.

Производителям также необходимо иметь гибкость, чтобы использовать одни и те же аппаратные и программные платформы для производства устройств для множества рыночных сегментов. Это требует, чтобы аппаратная платформа имела достаточную мощность обработки данных (производительность процессора), а также гибкость, чтобы иметь возможность использоваться в составе множества решений (что не в последнюю очередь зависит от типа процессорного ядра и архитектуры чип-сета).

Традиционный подход производителей к устройствам мобильной телефонии — иметь отдельные линейки продукции для каждой рыночной категории. Этот подход использовался производителями беспроводных устройств, известных на рынке 2,5G устройств. С переходом от технологий GSM/GPRS/EDGE к UMTS и, соответственно, более значимой сопутствующей рыночной специализации, ресурсы НИОКР возросли, затраты на разработку возросли при возросших требованиях времени вывода изделия на рынок и сильной конкуренции с другими производителями беспроводных устройств.

3g скорость передачи данных

Настало время разобрать вопрос о том, какая скорость у 3G. Так как передача данных мобильной беспроводной сети осуществляется по нестабильному каналу, то выделять фиксированную скорость нельзя. Все операторы сотовой связи рекламируют свои услуги и указывают в них такие скоростные показатели, которые можно увить только в расчетах или экспериментах при идеальных условиях. В реальности такой скорости никогда не бывает из-за влияния множества факторов. Это могут быть:

• плохие погодные условия (дождь, снег, сильный ветер);
• рельеф местности (горы или холмы, мешающие сигналу);
• множество высотных домов, которые также послабляют сигнал;
• толстые стены квартиры или дома (железобетонные перекрытия хорошо поглощают радиоволны);
• помехи от других бытовых приборов;
• загруженность сети оператора в выходные дни или праздники;
• нахождение на границе зоны покрытия или в значительном отдалении от вышек сотовой связи.

Ситуация немного улучшается, если попасть в областной центр или столицу. Там скорость загрузки веб-страниц может составлять от 1 до 5 Мб/сек (прием). Отдача же колеблется от 1 до 2 Мб/сек. По сравнению с проводным Интернетом это ничто, но не стоит быть категоричным.

Такой скорости вполне достаточно, чтобы удовлетворить все свои потребности: переписываться в социальным сетях и мессенджерах, общаться по аудиосвязи в Скайпе, играть в нетребовательные онлайн-игры, скачивать игры и приложения за очень короткий промежуток времени и т. д. Когда-то об этом можно было только мечтать.

3g, 3.5g, 3.75g… и 2.75g тоже

В дополнение к вышеупомянутым требованиям к скорости передачи данных, спецификации 3G призывали обеспечить легкую миграцию с сетей второго поколения. Для этого, стандарт, называемый UMTS стал топовым выбором для операторов GSM, а стандарт CDMA2000 обеспечивал обратную совместимость.

После прецедента с GPRS, стандарт CDMA2000 предлагает собственную технологию непрерывной передачи данных, называемую 1xRTT. Смущает то, что, хотя официально CDMA2000 является стандартом 3G, он обеспечивает скорость передачи данных лишь немногим больше, чем GPRS — около 100 кБит/с.

Стандарт EDGE — Enhanced Data-rates for GSM Evolution — был задуман как легкий способ операторов сетей GSM выжать дополнительные соки из 2.5G установок, не вкладывая серьезные деньги в обновление оборудования. С помощью телефона, поддерживающего EDGE, вы могли бы получить скорость, в два раза превышающую GPRS, что вполне неплохо для того времени. Многие европейские операторы не стали возиться с EDGE и были приверженцами внедрения UMTS.

Итак, куда же отнести EDGE? Это не так быстро, как UMTS или EV-DO, так что вы можете сказать, что это не 3G. Но это явно быстрее, чем GPRS, что означает, что она должна быть лучше, чем 2.5G, не так ли? Действительно, многие люди назвали бы EDGE технологией 2.75G.

Спустя десятилетие, сети CDMA2000 получили обновление до EV-DO Revision A, которая предлагает немного более высокую входящую скорость и намного выше исходящую скорость. В оригинальной спецификации, которая называется EV-DO Revision 0, исходящая скорость ограничена на уровне 150 кБит/с, новая версия позволяет делать это в десять раз быстрее.

Дальнейшие усовершенствования UMTS будут использовать HSPA , dual-carrier HSPA , и HSPA Evolution, которые теоретически обеспечат пропускную способность от 14 МБит/с до ошеломительных 600 МБит/с. Итак, можно ли сказать что мы попали в новое поколение, или это можно назвать 3.75G по аналогии с EDGE и 2.75G?

Как работает 3g

Перед тем как разбирать вопросы о том, какая скорость 3G Интернета и как ее получить, необходимо изучить принципы работы связи. Почему она называется «сотовой»? Все просто. Территорию или зону покрытия, внутри которой есть связь, разбивают на отдельные участки. Еще их называют ячейками или сотами. В центре каждой соты стоят приемник и передатчик связи — базовая станция.

Также крайне необходимо, чтобы пользователь был непрерывно подключен к сети во время перемещения. Это возможно благодаря технологии Handover. Она позволяет базовым станциям как бы играть в эстафету с подключением человека. Это исключает даже короткий разрыв связи при пересечении границы соты.

Как уже было сказано выше, в середине импровизированной соты находится базовая станция. Обычно она обслуживает сразу три участка подряд. Радиоволны от нее излучаются с помощью трех секторных антенн, каждая из которых смотрит на свой участок. Иногда бывает и так, что в одну сторону направлено сразу несколько антенн.

Самое распространенное место для установки базовых станций — это мачты или башни, построенные специально для этих целей. Скорее всего, все видели большие и высокие вышки красно-белого цвета на окраине города, в поле или на холмах.

Если говорить о физической работе 3G, то в основе его лежит кодовое распределение каналов. При этом выделение конкретного канала производится в процессорном блоке приемника сигнала после некоторой математической обработки принятых радиоволн. Специально для этого сигналы радиоинтерфейса закрываются с помощью скремблирующих и каналообразующих кодов.

Немного истории

Использовать радиоволны для голосовой связи начали ещё в 30-х годах ХХ века. Первые прототипы беспроводных раций разрабатывала на базе своих радиоприёмников американская компания Motorola. Готовые к эксплуатации образцы довольно громоздких раций появились вначале у военных, а чуть позже и в патрульных автомобилях у полицейских.

Теоретическую базу для обмена маломощными радиосигналами в рамках сот с антенной в их центре разработали ещё в конце 50-х годов. Однако, технически реализовать описанную схему получилось лишь спустя 10 лет, когда стало возможно осуществлять связь между соседними сотами.

К концу 70-х – началу 80-х годов собственные сотовые сети появились в Японии и на севере Европы (Норвегия, Дания, Швеция и Финляндия). Все они были сетями первого поколения, которое отличалось использованием только аналоговой частотной модуляции для приёма и передачи сигнала в диапазоне частот от 170 до 900 МГц (мегагерц).

Сети стандарта 1G отличались низкой пропускной способностью (около 2 кбит/с) и не самым оптимальным распределением частотных каналов. Поэтому передовые в техническом плане государства уже в середине 80-х стали разрабатывать базу для перехода к цифровой мобильной связи второго поколения.

Сравнение стандартов

Чтобы обобщить всё, что мы написали выше, предлагаю свести всю информацию в единую таблицу: