Ликбез 11-2. Поколения сотовой связи (2G) | Telecom & IT

Про 1G — здесь.

В начале 1980-х годов в европейской администрации почтовой и телефонной связи CEPT (Conference of European Post and Telecommunication) была образована рабочая группа по разработке стандарта GSM (Global System for Mobile communications).

К 1987 году этот стандарт был в основном разработан, и для дальнейшей проработки он был передан в Европейский институт стандартов телекоммуникаций ETSI (European Standard Telecommunication Institute). В 1991 году первые мобильные устройства GSM были представлены публике и в Швейцарии была запущена первая сеть второго поколения 2G GSM.

Рисунок 1. Один из первых мобильных телефонов стандарта GSM компании Motorola.

В 1995 году в стандарте GSM появилась дополнительная услуга передачи коротких сообщений SMS (Short Message Service). Поначалу, она была разработана не для коммерческого использования, а просто для большего удобства пользователей, поскольку в процессе разговора незанятым оставался служебный канал USSD (Unstructured Supplementary Service Data), который позволял организовать интерактивное взаимодействие между абонентом сети и сервисным приложением в режиме передачи коротких сообщений до 144 символов. Никто не предполагал, что эта услуга приобретёт огромную популярность среди пользователей, в основном, благодаря тому, она позволяла экономить минуты разговора, в те времени достаточно дорогие.

Основным отличием 2G от 1G, было в том, что GSM использовала цифровые технологии, в то время как 1G строилась на аналоговых технологиях. Поэтому в GSM удалось решить основные проблемы аналоговых систем первого поколения: ограничения ёмкости, плохую помехозащищённость, низкое качество связи.

Другим отличием GSM от предыдущих поколений было то, что это был глобальный стандарт. До этого, было бесполезно брать сотовый телефон в поездки за границу, поскольку в разных странах были разные стандарты, а если даже были и одинаковые, то роуминг между сетями разных национальных операторов в 1G всё равно был невозможен.

Стандарт GSM ввёл одно из самых значительных усовершенствований сотовой связи – роуминг между сетями в разных странах. Теперь абоненты могла звонить практически из всех регионов Земли, если там существовала сеть GSM.

Сети GSM работают на 4 базовых частотах: 800 МГц, 900 МГц, 1800 МГц и 1900 МГц. Ширина диапазона в каждой из них составляет 25 Мгц, а полоса для одного телефонного канала – 64 кбит/с. Поэтому, ёмкость сети была достаточно высокой и сеть могла поддерживать большое число одновременных вызовов.

Тем не менее, в сети 2G при наличии большого числа абонентов в одной соте мог образовываться т.н. «хот-спот», то есть, базовая станция около которой находилось много одновременно звонящих абонентов, могла не предоставить каналы всем желающим.

Существенным улучшением GSM по сравнению с технологиями 1G, было также сжатие речевых каналов, которое позволило использовать один частотный канал для более чем одного абонента (как это было в 1G).

Рисунок 2. Частотное сжатие речевого канала 64К и временное разделение каналов TDMA (истоник: Qualcomm).

Применение т.н. технологии «вокодера» (Voice Encoder) позволяло сжимать речевой канал 64 кбит/с до 8 кбит/с без заметной потери качества, таким образом, до восьми абонентов могло одновременно использовать 1 стандартный частотный канал 64 кбит/с (64К). Кроме того, технология позволяла разделять передачу каналов по времени.

На рисунке ниже более подробно показано, как это достигается в GSM и как это было в предыдущих поколениях.

Рисунок 3. Преимущества GSM по использованию радиоканала (источник: GSMA Intelligence, 2022).

Другой цифровой технологией мобильной связи 2G является мобильный доступ с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access). Он позволяет ещё больше повысить число абонентов, использующих один радиоканал. Принцип работы CDMA ясен из рисунка ниже.

Рисунок 4. Принцип работы технологии 2G CDMA (источник: GSMA Intelligence, 2022).

В настоящее время технология 2G CDMA используется очень мало, поскольку GSM получила в мире достаточно широкое распространение, и операторам нет смысла использовать разные, несовместимые друг с другом, технологии.

Тем не менее, как будет показано в следующей статье, CDMA заложила основы многих технологий 3-го поколения 3G.

Другие цифровые технологии второго поколения 2G:

• IS-54 и IS-136: технология TDMA используемая в США, совместимая с AMPS;
• IS-95: технология CDMA, стандартизированная в 1993 г., использовалась в Южной Корее и Гонконге, и в 1996 году в США.
• Другие цифровые технологии радиодоступа, такие как WLAN, DECT и др., однако, их нельзя отнести к мобильным сетям, поскольку они не обеспечивают достаточно хорошего хэндовера (передачи обслуживания абонента с одной базовой станции на другую, и не обеспечивают роуминга между сетями рпзных операторов). Существует, правда услуга, которая называется «WiFi-роуминг», однако, это Интернет-услуга, а не технология мобильной связи.

Структура сети GSM

В Интернете можно найти множество вариантов структуры сети GSM, в т.ч. в сочетании с 3/4G. В упрощённом виде структуру сети 2G GSM можно представить следующим образом.

Рисунок 5. Структура сети 2G GSM.

Мобильные устройства пользователя подключаются через радио-интерфейс Um к ближайшей базовой станции BTS (Base Transceiver Station). Часто используется сокращённое обозначение BS – Base Station. Радио-интерфейс Um – это та часть сети, где для передачи сигналов используются радиоволны. Все остальные соединения в сети используют различные проводные технологии (за исключением, возможно, радиорелейных линий, иногда использующихся на транспортном уровне сети).

BTS управляются от контроллера базовых станций BSC (Base Station Controller), под управлением которого может находиться до нескольких десятков базовых станций, покрывающих определённую зону сети. В сети GSM может использоваться до нескольких десятков и сотен BSC, которые коммутируют соединения абонентов в пределах своей зоны. Интерфейс между BTS и BSC стандартизирован и называется Abis. Он одинаков в оборудовании различных производителей, поэтому один BSC может управлять работой BTS от разных поставщиков. Это обеспечивает совместимость оборудования различных поставщиков на сети.

Весьма важной частью сети GSM является центр мобильной коммутации MSC (Mobile Switching Center), который администрирует работу множества BSC на сети. Он коммутирует вызовы между различными региональным группами BSC.

В сети GSM используются понятия домашней (Home) сети и гостевой (Visiting) сети. Обычно это сети различных регионов, например, областей, штатов, провинций, административных округов. В каждой такой сети работает свой MSC. Хотя на рис. 5 с целью упрощения показан только один MSC, обычно в каждой региональной сети работает два MSC: активный и резервный, для переключения управления с одного на другой в случай отказа одного из них.

Абоненты домашней сети одного региона зарегистрированы в т.н. «домашнем» регистре HLR (Home Location Register). Обычно, абоненты одного HLR имеют код (префикс) из трёх цифр перед десятизначным номером абонента, предписанный каждой региональной сети. Если абонент покидает регион своей домашней сети и перемещается в другой регион (например, путешествует из Москвы во Владивосток), то, при регистрации его мобильного устройства в сети другого региона, его номер попадает в «гостевой» регистр VLR (Visitor Location Register). HLR домашнего региона при этом получает извещение о том, что абонент в настоящее время зарегистрирован в другом регионе, поэтому, при вызовах этого абонента из домашнего (или третьего) региона, эти вызовы будут сразу маршрутизироваться в MSC того региона, где сейчас находится абонент.

Регистр идентификации абонентского оборудования EIR (Equipment Identity Register) предназначен для того, чтобы сделать бессмысленной кражу мобильных устройств. Украденный телефон или смартфон может повторно быть использован с другой SIM-картой и, возможно, в другой мобильной сети. Если в сети нет EIR, то при включении аппарата с другой легальной SIM-картой он функционирует нормально, и оператор не знает, что используется украденный мобильный телефон. EIR позволяет сотовым операторам вносить уникальный международный идентификатор IMEI (International Mobile Equipment Identity) украденного мобильного телефона в черные списки, таким образом, не допуская их регистрации в сети.

Центр аутентификации AuC (Authentication Centre) в сети GSM используется для аутентификации мобильного абонента, который вновь подключается к сети. При этом проверяется подлинность SIM-карты и происходит регистрация номера абонента в сети. Как только абонент зарегистрирован и подтверждена подлинность его номера, AuC генерирует параметры шифрования его сигнала при передаче по радиоканалу, таким образом, предотвращая перехват радиосигнала, что можно было легко сделать в сети 1G. При регистрации абонента в определённом MSC, ему назначается временный идентификатор идентичности TMSI (Temporary Mobile Subscriber Identity), который ассоциируется с его данными в AuC.

Блок взаимодействия GSM — GIWU (GSM Interworking Unit), в числе прочего, осуществляет взаимодействие с сетью Интернет, для чего используется технология GPRS (General Packet Radio Service).

Кроме того, MSC позволяет осуществлять взаимодействия с обычной проводной телефонной сеть ТфОП (телефонная сеть общего пользования), или PSTN (Public Switched Telephonе Network). Это даёт возможность звонить с мобильного телефона на фиксированный и наоборот.

GPRS

Услуга пакетной передачи данных GPRS (General Packet Radio Service) – это надстройка над структурой мобильной сети GSM, которая даёт возможность пакетной передачи данных, например, для выхода в Интернет с мобильного устройства. Она появилась в стандарте GSM немного позже – в 2001 году.

До этого в GSM использовалась технология канальной коммутации данных CSD (Circuit Switched Data). Она позволяла устанавливать соединения с помощью модема, встроенного или подключённого к мобильному устройству абонента, при этом скорость передачи данных не превышала 9,6 кбит/с. Кроме того, при этом телефон невозможно было использовать для совершения голосовых вызовов.

Затем было разработано улучшение технологии CSD, под названием HSCSD (High Speed CSD). Оно позволило увеличить скорость передачи данных до 57,6 Кбит/с.

Затем была разработана пакетная технология передачи данных GPRS, которая существенно увеличила пропускную способность канала передачи данных до 171,2 кбит/с, а также позволила более эффективно использовать ресурсы базовых станций. Однако, эта технология «потребовала» внесения в структуру сети дополнительных элементов SGSN (Serving GPRS Support Node) и GGSN (Gateway GPRS Support Node), которые на рисунке 5 входят в состав GIWU.

Для иллюстрации, на рис. 6 показано расположение этих элементов в структуре сети GSM.

Рисунок 6. Положение SGSN и GGSN в структуре сети GSM (источник: habravse-simki.ru).

Эти элементы также используются в сети 3G, что будет показано в следующей статье.

Есть ещё технология передачи мобильных данных EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), которая является некоторым улучшением GPRS. В EDGE были изменены схемы кодирования на радио-интерфейсе, что позволило увеличить скорость доступа в Интернет до 473,6 кбит/с. Этого может хватить для просмотра веб-сайтов с графикой, но слишком мало для использования потоковых сервисов, например, Youtube, особенно если видео идёт в качестве HD.

Заключение

Существовало несколько цифровых технологий второго поколения 2G, например D-AMPS, что является цифровым улучшением аналоговой технологии перового поколения AMPS, а также CDMA, которая была изначально цифровой.

Однако, только технология GSM, которой скоро уже исполнится 30 лет, широко используется до сегодняшнего дня. Это удивительный факт.

Даже новейшие мобильные устройства с поддержкой только начинающей своё пришествие технологии 5G, всё равно имеют модуль технологии 2G GSM, которую продолжают поддерживать большинство ведущих операторов мира. Это странный, с технологической точки зрения, факт объясняется очень просто: в мире используется ещё достаточно много обычных «кнопочных» телефонов GSM. Некоторые из них могут обеспечивать также и функции передачи данных, и даже выходить в интернет при помощи GPRS или EDGE. Но большинство функций смартфонов в них недоступны.

Это объясняется тем, что многие люди, особенно старшего возраста, не хотят или не могут пользоваться т.н. «умными» телефонами (смартфонами), считая их слишком сложными и неудобными. Поэтому операторы связи сейчас вынуждены поддерживать фактически несколько сетей: 2G, 3G, 4G. И уже наступает эра 5G. Необходимость поддержки нескольких различных сетевых платформ ухудшает маржинальность бизнеса операторов.

В сетях 3/4/5G обычные телефонные услуги могут поддерживаться только «скайпоподобными» сервисами (Skype, Viber, WhatsApp и пр.), которые основаны исключительно на передаче данных и работают только при наличии мобильного Интернета или WiFi. Их можно использовать только на смартфонах.

Сейчас некоторые операторы уже начинают принудительно отключать сети 2G GSM, чтобы перевести своих абонентов на смартфоны. Это такие операторы, как Reliance JIO (Индия); CTM, Hutchison, Smartone (САР Макао, Китай); M1, Singtel, Starhub (Сингапур); DTAC, AIS, TrueMoveH (Таиланд); Chunghwa, Far East Tone, Taiwan Mobile, Taiwan Star (Тайвань); Softbank, NTT Docomo (Япония) и другие. Некоторые из этих операторов даже отключают сети 3G, чтобы перевести своих абонентов на 4G.

По данным на середину 2022 года, уже 20 сетей национальных операторов GSM в мире были отключены. Также многие операторы планируют отключение сетей 3G (W-CDMA).

До 2026 года планируется отключить ещё 15 сетей GSM и 13 сетей 3G W-CDMA (причём пять операторов планируют одновременно отключить оба типа сетей).

В 2020 году состоится отключение всех сетей 2G в Северной Америке. В Европе они пока ещё будут использоваться. Однако, норвежский оператор Telenor объявил об отключении 3G в 2020 году, но 2G он планирует отключить только в 2025 году (видимо, это объясняется большим парком «кнопочных» телефонов на руках). Британский оператор Vodafone выведет свои сети 3G из использования по всей Европе в 2020-21 годах. Однако, три крупнейших европейских оператора: Vodafone, Deutsche Telekom и Telefonica пока не объявляли о планах отключения своих сетей 2G в Европе.