Поколения мобильной связи

Обеспечивающие: информатика, математика, вычислительная техника и МП, системы программирования.

Обеспечиваемые:

Методическое обеспечение и оборудование:

Методическая разработка к занятию.

Учебный план.

Учебная программа

Рабочая программа.

Инструктаж по технике безопасности.

 

Технические средства обучения: персональный компьютер, проектор

Обеспечение рабочих мест:

Рабочие тетради

Компьютерный класс

Проектор, экран

Вопросы для повторения:

1. Что из себя представляет микроволновая система?

2. Какая информация содержится в пакетах при пакетном радио соединении?

3. Какие способы организации мобильных сетей вы знаете?

4. Перечислите достоинства и недостатки инфракрасных сетей.

5. Какие существуют типы инфракрасных сетей?

6. Какие способы передачи используют беспроводные локальные сети?

7. На чём основана и что обеспечивает технология передачи «точка-точка»?

8. Что такое трансивер? Его основные функции.

9. Что нужно, чтобы организовать сеть с беспроводной передачей?

10. Как, в зависимости от технологии подразделяются беспроводные линии?

План лекции

GPRS и EDGE

Поколения мобильной связи

UMTS, он же WCDMA

WiMAX.

Проблема свободных частотных диапазонов.

G, технология LTE

 

GPRS и EDGE

Решение, которое как раз и основывалось на скрытых резервах существующих сетей сотовой связи, начало внедряться в конце 1990-х г. в рамках GSM. 0 В России GPRS был впервые продемонстрирован компанией МТС весной 2000 г., а к 2002 г. все операторы уже предлагали эту услугу.

Проблему медленной скорости передачи в сети GSM (от 9,6 до 21,4 кбит/с, в зависимости от схемы кодирования, в расчете на каждый временной слот TMDA) в рамках GPRS решили стандартным методом MIMO (Multiple Input Multiple Output – «множественный вход – множественный выход»): объединением нескольких Число временных слотов в каждом GSM-кадре равно восьми, таким образом, теоретическая скорость передачи в GPRS может достигать 21,4 × 8 = 171,2 кбит/с. В реальности она, конечно, значительно ниже. Первые телефоны, способные работать в качестве GPRS-модемов, поддерживали три-четыре канала на прием и один на передачу. Продвинутые схемы кодирования в реальных условиях не функционировали, и хороший GPRS-сервис тех времен работал с пиковыми скоростями 20—30 кбит/с. Число суммарно используемых слотов для GPRS и сейчас оператор связи обычно ограничивает до пяти (три или четыре — на прием и один или два — на передачу), и потому до максимальных цифр скорость не дотягивает даже в идеальных условиях.

При этом оператор может выбирать, чему отдать приоритет: голосу или передаче данных. Понятно, что голосовая связь является базовой услугой, и нецелесообразно жертвовать ей во имя какого-нибудь человека, захотевшего как раз в этот момент посмотреть ролик на You Tube. Все операторы (по крайней мере, в России) отдают приоритет голосовому трафику, оставляя на долю цифровой передачи свободные в данный момент временные слоты. Потому скорость такого обмена зависит не только от уровня помех и условий распространения радиосигнала, но и от загруженности сети, которая в условиях больших городов лимитирует скорость обмена иногда до полной неработоспособности сервиса.

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution, иначе EGPRS – расширенная GPRS) стала расширением GPRS в результате применения хитрых схем кодирования, позволявших передавать не 1 бит, а 3 бита в одной посылке. Теоретическая скорость EDGE составляет до 474 кбит/с (8 тайм-слотов × 59,2 кбит/с). Это отвечает требованиям Международного союза электросвязи для спецификаций поколения 3G (см. таблицу). Однако на практике такие скорости никогда не достигаются – и из-за ограничений операторов, и из-за несовершенства самих телефонов, и из-за невозможности применять усложненные схемы кодирования на реальных расстояниях в условиях помех. Поэтому обычно EDGE упоминают совместно с GPRS в рамках расширения второго поколения 2,5G.

Приятной особенностью GPRS/EDGE была адаптация передачи данных к условиям в существующих сотовых сетях, без необходимости расширения и перераспределения уже выделенных в рамках второго поколения участков электромагнитного спектра. Если обычные модемы, как и голосовая связь, полностью загружают линию (или сотовый канал), то GPRS «включается» только тогда, когда действительно надо что-то передавать или принимать, адаптируясь к текущей загрузке сети. Поэтому для GPRS стало возможным ввести помегабайтную тарификацию вместо разорительной повременной, что существенно изменило рынок.

Распространение GPRS/EDGE носило далеко не взрывной характер — отставали производители телефонов. Пользователи предпочитали изучать Интернет через удобный экран ноутбука, присоединенного к Сети кабелем. Дорогой и далеко не повсеместный мобильный доступ был еще мало кому нужен. Кроме того, из-за указанных особенностей технологии связь через GPRS/EDGE носит очень неравномерный характер: скорость может снижаться буквально до нескольких бит в секунду, затем рывком возрастать до нескольких десятков килобит и опять практически пропадать на долгие минуты. Причем эти проблемы одинаковы и для жителей больших городов с перегруженными сетями, и для обитателей провинциальных населенных пунктов с недостаточно качественным покрытием. В принципе, они должны решаться в рамках сетей третьего поколения, где передача данных уже не так явно прилеплена сбоку к голосовому трафику, но реальность обычно оказывается хуже наших ожиданий.

Поколения мобильной связи

Термины «2G», «3G» и т. п. не являются официальными названиями, соответствующими каким-то показателям, строго установленным стандартом. Маркетинговым происхождением всех этих «G» обусловлена и достаточно вольная их трактовка, встречающаяся в рекламных акциях и публикациях. Их следует рассматривать скорее как обобщенную характеристику технического уровня (куда входят и скорость передачи, и совокупность технологий, и доступные ресурсы, и еще многое другое). Более-менее четкие граничные цифры, согласно требованиям Международного союза электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), можно найти для 3G и 4G, но и для них реальность значительно отстает от теоретически достижимых значений. Хорошим примером может служить московское LTE под маркой Yota, которое технологически относится к поколению 4G, хотя даже официально декларируемая максимальная скорость доступа в рамках этой услуги не превышает 20 Мбит/с, что впятеро меньше установленного для IMT-Advanced минимума (см. таблицу).

Составляющие поколений мобильной связи проиллюстрированы на рисунке (см. выше), а краткие характеристики каждого из поколений сведены в таблицу. Вообще говоря, названия поколений родились в рамках стандарта GSM и его расширений (группа 3GPP), и потому вплоть до LTE аналоги из ветви CDMA причисляются к тому или иному поколению формально, по аналогии с доступными скоростями или по соответствию стандартам. В принципе, к каждому поколению можно причислить еще довольно много технологий и стандартов, забытых или не получивших практического развития, но мы их не упоминаем, так как в реальной жизни они не встречаются.

 

Рис.1 Связь поколений мобильной связи

Практические значения скоростей, указанные в последней колонке таблицы, приведены на основе обобщения различных опубликованных данных о тестировании реальных сетей, а на практике они могут быть как выше, так и ниже. При оценке того или иного рыночного предложения можно руководствоваться следующими эмпирическими правилами:

— голосовой режим Skype (от 100 кбит/с) работает иногда в 2,5G и почти всегда в 3G;

— видеорежим Skype и просмотр онлайн видео низкого качества (от 350–400 кбит/c) часто работают в 3G и почти наверняка в 3,5G;

— просмотр онлайн видео высокого качества (от 3 Мбит/с) работает только в 4G.

 

UMTS, он же WCDMA

История стандарта UMTS (Universal Mobile Telephone System) тесно связана с консорциумом 3GPP, который в 1998 г. объединил ведущие компании и организации Европы, США, Японии и Южной Кореи с целью разработки единого стандарта сетей следующего поколения после 2G. К тому времени уже было понятно, что наилучшим вариантом для обеспечения широполосного доступа поверх доминирущего в мире стандарта GSM будет WCDMA – Wideband (широкополосный) CDMA. Технически более совершенная технология, казалось бы, отвергнутая мировым сообществом из-за сложности и дороговизны, вернулась на новом уровне и стала основой UMTS. В те же годы Международный союз электросвязи включил UMTS в свое семейство стандартов IMT-2000, которое обычно и понимается под термином 3G.

Разработчики WCDMA, вероятно, сознательно дистанцировались от оригинального IS-95, хотя, как потом выяснилось, полностью избежать патентных споров с Qualcomm им все же не удалось. Но это ничуть не сказалось на распространении технологии, которую ограничивала лишь инертность производителей телефонов. Первая коммерческая UMTS-сеть была запущена 1 декабря 2001 г. в Норвегии. Поначалу внедрение 3G-услуг шло достаточно вяло. Доступ в Интернет через мобильник в качестве модема кусался своей ценой, на сами мобильники из-за их примитивности принимать еще было практически нечего (не подсаживаться же на убогий и разорительный WAP, в самом деле), а других «убойных» сервисов провайдеры тогда еще не придумали – до появления iPhone и iPad оставались еще долгие годы. Интересно, что по отношению к новым технологиям японцы оказались намного лабильнее европейцев и американцев. Крупнейший японский сотовый оператор NTT DoCoMo, запустивший собственную версию 3G в октябре 2001 г., уже к апрелю 2004 г. имел около 4 млн пользователей, составлявших тогда практически половину всех 3G-пользователей в мире.

Стандарт WCDMA применяет аналогичную обычному CDMA кодовую модуляцию, но в более широкой, чем IS-95, полосе частот, равной 5 МГц. В нем также используются знакомые нам принципы FDMA и TDMA – для разделения каналов приема и передачи. Вместе с тем WCDMA унаследовал от своего прототипа большинство преимуществ: высокую помехозащищенность и автоматическую адаптацию к условиям работы, как по мощности сигнала, так и по пропускной способности. В нем появились даже реально работающие элементы QoS, т.е. управления качеством соединения с гарантированным минимумом.

Вообще говоря, GSM и UMTS – это технически разные сети, хотя они и работают в одном частотном диапазоне. Для совместимости с GSM применяют специальную эстафетную передачу управления (хэндовер) между GSM и WCDMA. Если пользователю одновременно доступны сеть GSM и WCDMA, ядро UMTS будет перераспределять нагрузку в зависимости от условий. Если одна из сетей недоступна (обычно это сводится к случаю, когда есть сигнал GSM, но нет покрытия WCDMA) используется физический уровень другой. Пользователя все это не спасает от покупки нового устройства для доступа ко всему ассортименту услуг, но вот расходы операторов на внедрение могут заметно снижаться, – а значит, и ценовой удар будет не столь катастрофическим.

«Обычная» UMTS позволяет достигнуть скоростей передачи на уровне нижней границы 3G, т.е. около 2 Мбит/с. Расширение UMTS под названием HSPA (High Speed Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных) имеет примерно такое же отношение к оригинальному WCDMA, как EDGE к GPRS. За счет хитрых алгоритмов кодировки, оптимизации разделения каналов и тому подобных ухищрений удается достигнуть скоростей теоретически до 14,4 Мбит/с в нисходящем (HSDPA) и до 5,7 Мбит/с в восходящем (HSUPA) каналах. На самом деле теоретические скорости там еще выше, но на практике соответствующие им конфигурации не употребляются.

В программах, прилагающихся к 3G-модемам, пользователь вместо простого HSPA, скорее всего, увидит надпись HSPA+. Иначе это чудо еще называется Evolved HSPA. Оно основано на добавке более сложных схем модуляции плюс традиционное MIMO. Теоретическая скорость HSPA+ от оператора к абоненту может составить целых 84 Мбита/с, для восходящего канала — 10,8 Мбит/с. Разумеется, такое возможно лишь для абсолютно твердого сферического смартфона в вакууме. В начале 2009 г. компания Vodafone провела тест HSPA+ сети в Испании, где планировалось достичь 16 Мбит/с, однако пришлось признать, что большинство пользователей получит скорость загрузки, не превышающую 4 Мбит/с.

WiMAX.

Первым настоящим претендентом на поколение 4G стала технология, пришедшая совершенно сбоку. В начале 2000-х гг. производители компьютерного «железа» во главе с Intel объединились в организацию под названием WiMAX Forum. Его задачей была разработка стандарта, закрывающего нишу беспроводных компьютерных сетей масштаба WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks — беспроводные сети масштаба города). В этом смысле WiMAX (IEEE 802.16) был логическим продолжением Wi-Fi (IEEE 802.11), и с мобильной телефонией мог пересекаться лишь в почти не существовавшей в то время области VoIP.

Первоначально, в версии 802.16d от 2004 г., WiMAX существовал только в варианте для терминалов с малой мобильностью — стационарных модемов или ноутбуков. Зона покрытия этого варианта и в самом деле при некоторых условиях может достигать 50 км. И потому основным его назначением стала замена кабеля на «последней миле», т.е. обеспечения подключения к сети там, где кабеля нет вовсе или его использование неудобно. Нельзя сказать, чтобы проект пользовался оглушительным успехом: он требовал разворачивания достаточно дорогой инфраструктуры «с нуля», вкладываться в расширение кабельной сети было куда менее рискованно.

В 2005 г. вышла спецификация 802.16e, иначе называемая Mobile WiMAX, – для обеспечения подключения движущихся пользовательских терминалов. Этот вариант, предусматривающий скорости доступа до 40 Мбит/с при перемещении пользователя со скоростью до 120 км/ч, получил заметно большую поддержку. Радиус работы такой сети — от 1 до 5 км, причем она перекрывает как стационарные, так и мобильные применения.

Около 2008 г. одна за другой в мире стали возникать WiMAX-сети, и этот процесс совпал с бумом смартфонов. Для производителей аппаратуры, в принципе, не было проблематично дополнить и без того напичканные различными беспроводными интерфейсами устройства еще и модулями WiMAX. Таким вот образом стандарт и оказался в общем-то несвойственной ему роли конкурента сотовым телефонным сетям. Заметьте, что все эти сервисы широко рекламировались под маркой 4G, но не удовлетворяли и до сих пор не удовлетворяют формальным требованиям IMT-Advanced. Внесенная в этот стандарт версия WiMAX 2.0 (802.16m) со скоростями до 100 Мбит/с на переносных объектах окончательно была утверждена IEEE лишь в марте 2011 г., когда бум WiMAX-сетей уже был на спаде.

В России WiMAX-сетями с большой помпой занялась Yota («Скартел»). Осенью 2009 г. она даже объявила о внедрении официально еще не принятого WiMAX 2.0. Пользователи уже приготовились вскрывать заначки в перспективе необходимости оплачивать ни с чем несовместимые WiMAX-модемы, но воздушный шарик лопнул, не успев даже раздуться до заметных размеров.