Поколения беспроводных сетей 2G, 3G, 4G и их сравнение [Реферат №5919]

Основные цифровые стандарты систем сотовой связи второго поколения:

D-AMPS (Digital AMPS – цифровой AMPS; диапазоны 800 МГц и 1900 МГц);

GSM (Global System for Mobile communications – глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц);

CDMA (диапазоны 800 и 1900 МГц);

JDC (Japanese Digital Cellular – японский стандарт цифровой сотовой связи).

Табл. 2. Сравнение систем сотовой связи второго поколения (2G)

1980-е годы. мобильные данные: не поддерживаются

Первые мобильные, а точнее автомобильные телефоны, появились в конце 1940-х годов. Огромная башенная антенна с радиусом действия в десятки километров соединяла их с телефонной сетью. В 1960-х каждому радиотелефону стали выделять сразу два канала: один на передачу, другой на прием, чтобы пользователь мог одновременно говорить и слушать (такой режим связи называется дуплексным).

В 1980-х появилась ключевая технология: операторы разделили территории на множество небольших сот, каждая из которых обслуживалась своей базовой станцией — ​антенной, подключенной к телефонной сети по проводам. Теоретически одна станция могла предоставить пары частот для 28 абонентов, хотя на практике число было и того меньше. Главное, что теперь частоты можно было использовать многократно.

Каждая сота граничит с шестью соседними. Их зоны действия частично пересекаются, поэтому семь ближайших друг к другу базовых станций не должны иметь общих частот. Зато за пределами «семерки» одни и те же частоты можно использовать снова и снова. Разработчики технологии сотовых сетей первого поколения догадались разделить радиоэфир между абонентами по территориальному признаку.

Этим принципом мы пользуемся и сегодня. Попадая в зону действия базовой станции, мобильное устройство связывается с ней по специальному сервисному каналу и регистрируется в сети. Оператор всегда «знает», рядом с какой станцией вы находитесь и куда перебросить звонок, если кто-то наберет ваш номер.

В отличие от рации, сотовый телефон обеспечивает соединение лишь на «последней миле». Несопоставимо большее расстояние сигнал между абонентами проходит по проводам. Так что технологии сотовой связи и мобильного интернета можно назвать беспроводными лишь с долей условности.

2000-е годы. мобильные данные: от 2 до 14,7 мбит/с

В сетях третьего поколения интернет стал по-настоящему широкополосным. Часто под этим термином понимают просто высокую скорость передачи данных мобильного интернета. В более узком смысле слово «широкополосный» подразумевает, что по одному носителю передается сразу несколько потоков информации. Например, единственный провод используется для голосовой связи и интернета одновременно.

Широкополосность тесно связана с понятием модуляции, которую проще объяснить на примере FM-радио. В эфире передается музыка, то есть звук. Человек воспринимает на слух сигналы с частотой от 20 Гц до 20 000 Гц (1 Гц — ​одно колебание в секунду).

Однако частота радиоволн в FM-диапазоне намного выше: в районе 100 МГц (миллионов герц). Чтобы радиочастота (несущая) передавала звук, ее модулируют, то есть изменяют: когда уровень звукового сигнала повышается, увеличивается частота несущей, и наоборот.

Частота несущей радиоволны колеблется в пределах 180 кГц. Этой полосы пропускания (bandwidth) хватает, чтобы приемник извлек из нее качественный звук. Аббревиатура FM, собственно, и означает частотную модуляцию — ​Frequency Modulation.

Звук, который мы слышим по радио, устроен куда сложнее и содержит больше информации, чем цифровой сигнал — ​последовательность нулей и единиц. Однако, используя продвинутые алгоритмы модуляции, можно упаковать в несущую волну сразу много цифровых потоков, то есть сделать сигнал широкополосным.

В сетях третьего поколения, вместо того чтобы делить частотный диапазон на полосы по 25 кГц (2G FDMA) между абонентами, им дали возможность совместно использовать «магистраль» шириной в 1,23 МГц, то есть в пятьдесят раз больше.

Для совместного доступа применили технологию с разделением по коду: CDMA (Code Division Multiple Access). По каналу пришлось передавать значительное количество «лишней» информации (псевдослучайный код), но результат того стоил: скорость мобильного интернета многократно возросла.

2022-е годы. мобильные данные: от 300 мбит/с до 3 гбит/с

Сети четвертого поколения работают приблизительно в том же диапазоне частот, что и 3G и даже 2G (от 800 до 2600 МГц). Но если в начале 1990-х все наши мобильные данные сводились к эсэмэскам, то сегодня мы на лету смотрим видео высокого разрешения, редко сталкиваясь с недостаточной скоротью передачи данных.

Технология 4G выжала все соки из эфирного пространства, которое эксплуатировалось десятилетиями. Не зря четвертое поколение ассоциируется с аббревиатурой LTE — ​Long Term Evolution, или долговременное развитие.

Радиоволны, подобно волнам на поверхности воды, могут взаимодействовать с окружающими предметами и друг с другом. Они отражаются от зданий, рассеиваются, проходя сквозь стены, и даже искажают соседние волны. Чтобы волны соседних полос не мешали друг другу, в технологиях FDMA и CDMA между ними оставляли защитный диапазон.

MIMO расшифровывается как Multiple Input Multiple Output — ​«множественные входы и множественные выходы». Базовая станция посылает сигнал сразу с двух или более антенн, а мобильное устройство принимает соответственно двумя или более антеннами (да, все они помещаются в компактном корпусе).

За технологией OFDMA (O здесь означает «ортогональный») стоит сложная математика. Но вкратце суть ее в том, что отведенная одному абоненту полоса частот (несущая) разбивается на множество (до 256) поднесущих. Их частотные спектры пересекаются, и они непременно мешали бы друг другу, если бы не были филигранно синхронизированы по времени. В тот момент, когда поднесущая достигает пика мощности, ее ближайшие соседки всегда слабы.

В сетях 4G ресурсы сети используются максимально гибко. Система постоянно варьирует ширину полос, временные слоты и количество поднесущих в зависимости от аппетитов конкретных пользователей и качества радиосигнала. Устройство, которому требуется максимальная скорость, получает широкий канал, и наоборот  — гаджеты, которым достаточно медленного интернета, не расходуют ресурсы сети понапрасну.

2020-е годы. мобильные данные: от 100 мбит/с до 20 гбит/с

Разработчики сетей четвертого поколения нарезали радиоэфир настолько мелкими порциями, что, кажется, вплотную приблизились к теоретическому лимиту ускорения связи. Поэтому впервые за 40 лет мобильные устройства выходят в новый частотный диапазон, который будет намного шире предыдущего.

Новые эфирные просторы обеспечат высокую скорость передачи данных: разработчики обещают, что полнометражные фильмы в высоком разрешении мы будем скачивать за считанные секунды. Однако скорость не главный параметр 5G. Важнее количество подключенных устройств: до миллиона на квадратный километр.

Сети пятого поколения создаются не только и не столько для людей, сколько для машин: домашней и промышленной автоматики, беспилотного транспорта, устройств интернета вещей. Стандарт текущего тысячелетия развивается экстенсивно: больше частот, больше базовых станций, больше антенн, больше сот.

Подробно о технологиях, на которых строятся сети пятого поколения, читайте в отдельном материале:

Gsm история возникновения стандарта

Название GSM первоначально было аббревиатурой группы, которая вела разработку этого стандарта. Позже ее значение было интерпретировано в нужном ключе и стало обозначать Глобальную систему для мобильной связи. В 1982 году стартовало создание GSM. Оно велось коалицией из 26 Европейских компаний, предоставлявших услуги связи.

Цель состояла в том, чтобы объединить все европейские страны с единым стандартом связи, который будет работать на 900 мегагерц. Спустя 7 лет ETSI продолжил работу над развитием GSM. Стандарт начал полноценно работать только в середине 1991 года. При этом он наголову обходил ближайших конкурентов, таких как североамериканский PCS. После этого усовершенствование стандарта проводилось в 1993 году. После производились лишь улучшения текущей версии.

Актуальность

Изучаемая тема очень актуальная так как, обусловлена существенным расширением возможностей телекоммуникаций с появлением в 1980-е годы сотовой связи, а также быстрой и существенной трансформацией территориальной структуры всей сложившейся системы связи в мире.

Наряду с другими обстоятельствами, развитие сотовой связи – одновременно и результат и важный фактор процесса глобализации, во многом отвечающий за усиление контактности и мобильности людей, проводимости среды и консолидацию мирового информационного пространства.

Архитектура сети gsm

Разберем пример идеальной модели сети. На рисунке изображенном ниже представлена модель, у каждой БС есть по 6 соседей. К примеру, эти станции расположены на гладкой поверхности, без холмов, деревьев, зданий и неровностей.

Базовая станция (БС) — это приемо-передающая станция, которая взаимодействует с вашим мобильным телефоном по радиоканалу. Зона охвата БС при таких условиях представляет окружность, которые будут пересекаться между собой. Если соединим точки пересечения окружностей, то получим шестиугольники – пчелиные соты.

Сеть подразделяется на 2-е основные системы BSS (Base Station System) – подсистема базовой станции и SSS – система коммутации. Эта система включает:

BSC – контроллер базовой станции.

К его обязанностям относится:

• Распределение радиоканалов между базовой станцией и мобильной станцией;
• Контролирует соединение с мобильной станцией (МС);
• Уведомление МС о поступившем вызове;
• Контроль уровня выходной излучаемой мощности между мобильной и базовой станцией в течение разговоров абонентов.

Промежуточное звено между БС и системой коммутации является транскодер (TCE) — это оборудование, которое преобразует входные сигналы канала передачи голоса и данных из коммутационного центра в форму, соответствующую рекомендации GSM по радиоинтерфейсу.

Проще говоря, по проводным линиям, голос в цифровом виде отправляется со V=64 Кбит/с. Сигнал с одинаковой скоростью передаётся с выхода коммутационного центра. А уже между мобильной станции и БС речь передается со V=13 Кбит/с. Транскодер превращает 64 Кбит/с в 13.

Mobile Switching Center (MSC) переводится с английского как мобильный коммутационный центр. Коммутатор обслуживает ограниченную по территории группу сот, например в конкретном городе, и выполняет все виды соединений, нужных для работы МС.

Функции коммутатора:

Home Location Register (HLR) – «домашний» регистр местоположения. Это устройство содержит информацию о местонахождении любой из мобильных станций, что позволяет коммутационному центру отправлять вызов на эту станцию.

HLR это справочная база данных (БД) о регулярно регистрируемых абонентов в сети:

• Параметры достоверности пользователей;
• Определенные номера;
• Перечень оказываемых клиенту услуг связи;
• Спец. информация о маршрутизации;
• Оформление данных о роуминге.

Visitor Location Register (VLR) – Регистр местоположения посетителя.

Это временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия конкретного коммутационного центра. Основная роль VLR заключается в минимизации количества запросов, которые MSC должны выполнять к регистру домашнего местоположения (HLR), который содержит постоянные данные, относящиеся к абонентам сотовой сети.

В идеале, должен быть только один регистр местоположения посетителя на MSC, но также возможно, чтобы один VLR обслуживал несколько MSC.

Преимущество системы — она уменьшает нагрузку на основную базу данных в «домашнем» регистре местоположений. В ней хранятся такая же информация, что и в домашнем регистре, пока абонент находится в зоне покрытия конкретного коммутационного центра.

Authentication Center (AUC) – центр аутентификации. Это функция в сети GSM, используемая для аутентификации мобильного абонента, который хочет подключиться к сети. Аутентификация осуществляется путем идентификации и проверки действительности SIM-карты.

Как только подписчик аутентифицирован, AUC отвечает за генерацию параметров, используемых для конфиденциальности, и шифрование радиолинии. Чтобы обеспечить конфиденциальность мобильного абонента, временная идентификация мобильного абонента (TMSI) назначается на время, в течение которого абонент контролируется конкретным центром коммутации мобильной связи (MSC), связанным с AUC.

Equipment Identity Register (EIR) – регистр идентификации оборудования.

В регистре имеются специальные номера IMEI (международный идентификационный номер оборудования мобильной станции) практически на всех мобильных станциях, которые имеют доступ к конкретной сети связи.

База данных разделяется:

• Белый список – для авторизованной МС;
• Чёрный список попадают номера, которые были украдены, или лишенные доступа по любой другой причине;
• Серый для МС с проблемами данных программного обеспечения.

Управляющее звено сети, которая не включена в систему коммутации, является Operation and Maintenance Center (центром эксплуатации и технического обслуживания), сокращенно ЦЭиТО.

Operation and Maintenance Center проверяет и распоряжается остальными компонентами сети. В появления чрезвычайной ситуации ЦЭиТО уведомит персонал, и зарегистрирует сведения об аварийной ситуации. В зависимости от степени повреждения ОМС позволяет устранить ситуацию автоматически или с вмешательством персонала.

Для создания разумного иерархического управления сетью GSM, подходит Network Management Center (NMC) – сетевой операционный центр, который:

История сотовой связи

Эволюция систем сотовой связи включает в себя несколько поколений 1G, 2G, 3G и 4G. Ведутся работы в области создания сетей мобильной связи нового пятого поколения (5G). Стандарты различных поколений, в свою очередь, подразделяются на аналоговые (1G) и цифровые системы связи (остальные).

Связь всегда имела большое значение для человечества. Когда встречаются два человека, для общения им достаточно голоса, но при увеличении расстояния между ними возникает потребность в специальных инструментах. Когда в 1876 году Александр Грэхем Белл изобрел телефон, был сделан значительный шаг, позволивший общаться двум людям, однако для этого им необходимо было находиться рядом со стационарно установленным телефонным аппаратом!

Более ста лет проводные линии были единственной возможностью организации телефонной связи для большинства людей. Системы радиосвязи, не зависящие от проводов для организации доступа к сети, были разработаны для специальных целей (например, армия, полиция, морской флот и замкнутые сети автомобильной радиосвязи), и, в конце концов, появились системы, позволившие людям общаться по телефону, используя радиосвязь.

Первое поколение мобильной связи (1g)

Официальным днем рождения сотовой связи считается 3 апреля 1973 года, когда глава подразделения мобильной связи компании Motorola Мартин Купер позвонил начальнику исследовательского отдела AT&T Bell Labs Джоэлю Энгелю, находясь на оживленной Нью-йоркской улице.

Именно эти две компании стояли у истоков мобильной телефонии. Коммерческую реализацию данная технология получила 11 лет спустя, в 1984 году, в виде мобильных сетей первого поколения (1G), которые были основаны на аналоговом способе передачи информации.

Основными стандартами аналоговой мобильной связи стали AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная подвижная телефонная служба) (США, Канада, Центральная и Южная Америка, Австралия), TACS (Total Access Communications System – тотальная система доступа к связи)

(Англия, Италия, Испания, Австрия, Ирландия, Япония) и NMT (Nordic Mobile Telephone – северный мобильный телефон) (страны Скандинавии и ряд других стран). Были и другие стандарты аналоговой мобильной связи – С-450 в Германии и Португалии, RTMS (Radio Telephone Mobile System – радиотелефонная мобильная система)

Переходный период (2,5g)

С течением времени развивались технологии, вместе с этим стала необходимой передача данных между пользователями сотовых телефонов с значительно большей скоростью. Впоследствии был создан GPRS – пакетный радиоприемник общего использования. GPRS является своего рода дополнением к стандарту GSM, которая позволяет использовать пакетную передачу данных в сети этого стандарта.

Плата за пользование GPRS взимается за распакованный объем трафика, а не за время использования. Следующей ступенью развития GPRS стал EDGE. Аббревиатура буквально обозначает расширение возможностей для произведения эволюции GSM. Данная технология позволила существенно ускорить передачу информации.

Иногда EDGE также называют стандартом поколения 2.75. К тому же, вводилась технология XRTT, которая в теории может передавать информацию со скоростью 144 килобит в секунду, но на деле этот показатель редко превышал 60. Тем не менее, данная технология все еще широко применяется, как и любая другая, использующая в своей работе зарегистрированную радиолинию.

Поколение 3,5g

Дальнейшим развитием сетей стала технология HSPA (англ. High Speed Packet Access – высокоскоростной пакетный доступ), которую стали именовать 3,5G. Изначально она позволяла достичь скорости в 14,4 Мбит/с, однако сейчас теоретически достижима скорость 84 Мбит/с и более.

Преимущества и недостатки 3g по сравнению с 2g

Преимущества 3G над 2G:

• Высокая эффективность использования канального ресурса. Рост пропускной способности сети.
• Сокращение мощности абонентских и базовых станций, что уменьшает помехи другим электронным устройствам.
• Простота частотного планирования, поскольку все базовые станции сети используют один и тот же канальный ресурс.
• Упрощение изменения скоростей передачи вверх и вниз для различных абонентов. Поддержка асимметричных видов передачи информации, таких как Интернет.
• Возможность реализации мягкого хэндовера. Сокращение числа обрывов связи из-за хэндовера. Повышение качества связи, особенно при передаче данных, видеосигналов и мультимедиа.
• Применение Rake приемника позволяет выделять и обрабатывать наиболее мощные сигналы при многолучевом распространении.
• Повышение качества передачи телефонии за счет устранения замираний при многолучевом распространении.
• Обеспечение высокой надежности связи факсимиле, Интернет сообщений.
• Простота передачи каналов управления.
• Облегчение реализации новых услуг: прием мультимедиа, высокоскоростных потоков данных, аудио- и видеоклипов.

Недостатки 3G:

• Необходимость синхронизации кодирующих последовательностей в приемниках. Требования к реализации когерентной обработки принятых сигналов.
• Необходимость быстрой регулировки мощности передатчиков мобильной и базовой станций.
• Зависимость дальности связи от скорости передачи и скорости передвижения абонента.

Технология сотовой связи: стандарты и поколения – топномер.ру

Третье поколение мобильной связи (3g)

Дальнейшим развитием сетей мобильной связи стал переход к третьему поколению (3G). 3G – это стандарт мобильной цифровой связи, который под аббревиатурой IMT-2000 (англ. International Mobile Telecommunications – международная мобильная связь 2000) объединяет пять стандартов – W-CDMA, CDMA2000, TD-CDMA/TD-SCDMA, DECT (англ.

Digital Enhanced Cordless Telecommunication – технология улучшенной цифровой беспроводной связи). Из перечисленных составных частей 3G только первые три представляют собой полноценные стандарты сотовой связи третьего поколения. DECT – это стандарт беспроводной телефонии домашнего или офисного назначения, который в рамках мобильных технологий третьего поколения, может использоваться только для организации точек горячего подключения (хот-спотов) к данным сетям.

Стандарт IMT-2000 дает четкое определения сетей 3G – под мобильной сетью третьего поколения понимается интегрированная мобильная сеть, которая обеспечивает: для неподвижных абонентов скорость обмена информацией не менее 2048 кбит/с, для абонентов, движущихся со скоростью не более 3 км/ч – 384 кбит/с, для абонентов, перемещающихся со скоростью не более 120 км/ч – 144 кбит/с.

При глобальном спутниковом покрытии сети 3G должны обеспечивать скорость обмена не менее 64 кбит/с. Основой всех стандартов третьего поколения являются протоколы множественного доступ с кодовым разделением каналов. Подобная технология сетевого доступа не является чем-то принципиально новым. Первая работа, посвященная этой теме, была опубликована в СССР еще в 1935 году Д.В. Агеевым.

Технически сети с кодовым разделением каналов работают следующим образом – каждому пользователю присваивается определенный числовой код, который распространяется по всей полосе частот, выделенных для работы сети. При этом какое-либо временное разделение сигналов отсутствует, и абоненты используют всю ширину канала.

При этом, естественно, сигналы абонентов накладываются друг на друга, но благодаря числовому коду могут быть легко дифференцированы. Как было упомянуто выше, данная технология известна достаточно давно, однако до середины 80-х годов прошлого века она была засекреченной и использовалась исключительно военными и спецслужбами. После снятия грифов секретности началось ее активное использование и в гражданских системах связи.

Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи

Основные аналоговые сети использовали в своей работе частоты 450, 800 и 900 мегагерц. Radiocom 2000, стандарт, использовавшийся во Франции, выделяется из этого ряда: он применял диапазоны 170, 200 и 400 МГц.

Все аналоговые стандарты использовали частотную модуляцию для передачи исходных данных. Подвижная станция для работы по этим стандартам должна была иметь относительно высокую мощность — от трех до пяти ватт. Главный недостаток данных стандартов кроется в их низкой ёмкости, появляющейся из-за неполной экономичности использования выделенной полосы, работающей на частоте 12,5-30 килогерц. Это влекло за собой высокие потери эффективности и завышенное энергопотребление.

Цифровые стандарты сотовой связи 2-го поколения

При переходе на 2G существовало два основных стандарта для систем сотовой связи – уже упоминавшийся GSM, применявшийся на территории Европы и D-AMPS, получивший большое распространение в Северной Америке. Они разрабатывались независимо друг от друга.

Историю формирования GSM вы уже знаете, остановимся на D-AMPS. Работа над его созданием началась, когда стал очевидным тот факт, что существующий аналоговый стандарт AMPS невозможно полностью заменить цифровым из-за широты его применения. Но вскоре, нашли способ создания аналого-цифровой системы, которая способна обеспечить работу обеих систем в одном и том же диапазоне частот.

Заключение

Как можно заметить, весь процесс перехода от аналоговой связи до цифровой занял чуть больше пяти лет, после чего вновь появившиеся стандарты постепенно совершенствовались, ускоряя передачу сигнала и увеличивая его качество. На сегодняшний день развитие мобильной связи идет с гораздо большей скоростью, так как технологии создаются намного быстрее, чем 30 лет назад: тогда никто и подумать не мог о скорости передачи данных через телефон в разы выше компьютерной.

На текущий момент активно ведется разработка стандартов пятого поколения, которые позволят передавать информацию с немыслимой скоростью, приближающейся к показателям в гигабайты/секунду. Но те эпохальные события, когда только началось зарождение новых поколений сотовой связи стали самым настоящим толчком к совершенствованию, импульс от которого сохраняется до сих пор.