GSM — глобальная система мобильной связи

В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем («лоскутное одеяло»). Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM 900 - диапазон 900 МГц). Соответствующая работа была начата в 1982 году, к 1987 году были определены все основные характеристики системы, а в 1988 г. приняты основные документы стандарта. Практическое применение стандарта началось с 1991 г.

 

В первом при­ближении, система GSM подобна D-AMPS. И та, и другая — сотовые системы. И там, и там применяется частотное уплотнение. Каждый телефон передает дан­ные на одной частоте, а получает — на другой (последняя выше первой: 80 МГц в D-AMPS и 55 МГц в GSM). В обеих системах пара частотных каналов разбива­ется с помощью временного уплотнения на кадровые интервалы, используемые несколькими абонентами. Однако каналы GSM значительно шире каналов AMPS (200 кГц против 30 кГц) и обслуживают относительно мало дополнитель­ных пользователей (8 против 3), в результате чего в GSM скорость передачи дан­ных одним пользователем оказывается гораздо выше, чем в D-AMPS.

Итак, каждая полоса частот имеет ширину 200 кГц. Система GSM имеет 124 пары симплексных каналов. Ширина пропускания каждого симплексного канала составляет 200 кГц. Канал поддерживает 8 отдельных соединений при помощи временного уплотнения. Каждой активной в данный момент базовой станции назначен один кадровый интервал на пару каналов. Теоретически, каждая сота может иметь до 992 каналов, однако многие из них сознательно делают недоступными во избежание конфликтов с соседними сота­ми. Прием и пере­дача происходят в разных интервалах, поскольку аппаратура GSM не может работать одновременно в двух режимах, и на перестройку требуется некоторое время.

Некоторые интервалы нужны для управляющих каналов. Широкове­щательный управляющий канал представляет собой непрерывный поток, исходя­щий от базовой станции, в котором содержатся ее идентификационная информа­ция и статус канала. Все мобильные устройства производят мониторинг мощности сигнала, по которому они определяют моменты перехода в ведение новой БС.

Выделенный управляющий канал используется для поиска мобильного теле­фона, обновления информации о нем, регистрации и установки соединения. В част­ности, каждая БС содержит базу данных телефонов, находящихся в текущий мо­мент под ее юрисдикцией. Информация, необходимая для обновления этой базы, передается по выделенному управляющему каналу.

Наконец, есть еще общий управляющий канал, разделяемый на три логиче­ских подканала. Первый из них — пейджинговый канал, с помощью которого ба­зовая станция сообщает о входящих звонках. Каждый мобильный телефон по­стоянно прослушивает его в ожидании звонка, на который он должен ответить. Второй — канал случайного доступа, позволяющий пользователям запросить ин­тервал в выделенном управляющем канале. Если два запроса сталкиваются (кол­лизия), они искажаются, и им приходится впоследствии осуществлять повтор­ные попытки. Используя выделенный управляющий канал, мобильный телефон может инициировать исходящий звонок. Присвоенный интервал объявляется при помощи третьего подканала — канала предоставления доступа.

Преимущества стандарта GSM:

· Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это достигается в основном за счёт аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подаётся команда снизить излучаемую мощность.

· Хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций.

· Большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений.

· Низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах.

· Максимальная защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путём применения алгоритмов шифрования с открытым ключом. EFR-технология являет собой усовершенствованную систему кодирования речи. Эта система была разработана фирмой Nokia и впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM.

· Широкое распространение, особенно в Европе, большой выбор оборудования.

· Возможность роуминга. «Роуминг» (от английского «Roam» - странствовать, бродить) означает, что абонент одной из сетей GSM может пользоваться сотовым телефонным номером не только у себя «дома», но и перемещаться по всему миру переходя из одной сети в другую не расставаясь со своим абонентским номером. Процесс перехода из сети в сеть происходит автоматически, и пользователю телефона GSM нет необходимости заранее уведомлять оператора.

Недостатки стандарта GSM:

· Искажение речи при цифровой обработке и передаче.

· Связь на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков.

· Серьёзная мощность излучения носимыми трубками - потенциальный вред здоровью. В настоящее время не подтверждено, даже после проведения множества экспериментов.

CDMA — множественный доступ с кодовым разделением каналов

D-AMPS и GSM — это довольно традиционные системы. Они используют час­тотное и временное уплотнение для разделения спектра на каналы и разделения каналов на интервалы. Однако есть еще одна система из этой серии под названи­ем CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением каналов), которая работает совершенно по-другому. Когда CDMA была впервые предложена, реакция представителей соответствующей промыш­ленности напоминала реакцию королевы Изабеллы, когда к ней пришел Колумб и сказал, что он достиг Индии, поплыв в направлении, противоположном нужному. Так или иначе, благодаря упорству единственной компании, Qualcomm, CDMA теперь признается не только полноценной системой мобильной связи, но и луч­шей из существующих систем третьего поколения. Она также используется в США при работе с оборудованием второго поколения, конкурируя с D-AMPS. CDMA описывается международным стандартом IS-95, и иногда на эту систему ссылаются именно таким образом. Также используется название торго­вой марки — cdmaOne.

Технология множественного доступа с кодовым разделением каналов известна давно. В СССР первая работа, посвященная этой теме, была опубликована еще в 1935 году ее автором Д.В. Агеевым.

Да, CDMA полностью отличается от AMPS, D-AMPS и GSM. Вместо разде­ления доступного частотного диапазона на сотни узких каналов в CDMA каждая станция может при передаче все время пользоваться полным спектром частот. Одновременный множественный доступ обеспечивается за счет применения тео­рии кодирования. CDMA также отдыхает от мысли о том, что одновременно при­шедшие кадры должны портиться. Вместо этого предполагается, что сигналы до­бавляются линейно.

Рассмотрим следующую аналогию. Представьте себе зал ожидания в аэропорту. Множество пар оживленно беседу­ют. Временное уплотнение можно сравнить с ситуацией, когда все люди нахо­дятся в центре зала и говорят по очереди. Частотное уплотнение мы сравним с ситуацией, при которой люди находятся в разных углах и ведут свои разговоры, которые не слышны другим. Это происходит одновременно, но независимо. Для CDMA лучше всего подходит сравнение с ситуацией, когда все в центре зала, од­нако каждая пара говорящих использует свой язык общения. Франкоговорящие промывают косточки всем остальным, воспринимая чужие разговоры как шум. Таким образом, ключевой идеей CDMA является выделение полезного сигнала при игнорировании всего остального.

Стандартной полосой CDMA является 1,25 МГц (против 30 кГц в D-AMPS и 200 кГц в GSM), и в этой полосе система может обслуживать гораздо больше пользователей, чем любая другая сис­тема. При этом каждому пользователю предоставляется пропускная способность, которая, по крайней мере, не хуже, чем в GSM, а зачастую даже лучше.

 

 

Поколение 2.5G

Мобильные телефонные сети изначально были рассчитаны именно на передачу голоса. Поэтому, хотя GSM и является цифровым стандартом, он предназначен для передачи голоса во время телефонного разговора и как результат не очень подходит для длительных высокоскоростных соединений.

Поэтому для обеспечения голосовых разговоров в GSM-сетях для каждого сеанса выделяется пара частот (для передачи данных в обе стороны), на которых и устанавливается цифровое соединение со скоростью 9600 бит/с, и уже поверх него передается закодированный и сжатый звук. Выделение отдельных частот обеспечивает отдельный физический канал, поэтому при разговоре по мобильному не возникают типичные для IP-телефонии проблемы перегруженных каналов связи и, как следствие, выпаданий слов (в случае мобильной связи слова также могут выпадать, если возникают какие-то радиопомехи). Скорости 9600 бит/с вполне достаточно для передачи закодированного голоса «телефонного» качества. Проблема нехватки частоты обычно не стоит, так как маловероятно, что все абоненты, находящиеся в зоне действия базовой станции (которая обеспечивает связью данную соту), вдруг начнут одновременно звонить.

GPRS (англ. General Packet Radio Service - пакетная радиосвязь общего пользования) - надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю мобильного телефона производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объему переданной/полученной информации, а не времени. Служба передачи данных GPRS надстраивается над существующей сетью GSM.

При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передается через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы, такая технология предполагает более эффективное использование ресурсов сети GSM. При этом приоритет передачи - голосовой трафик или передача данных - выбирается оператором связи. Федеральная тройка в России использует безусловный приоритет голосового трафика перед данными, поэтому скорость передачи зависит не только от возможностей оборудования, но и от загрузки сети. Возможность использования сразу нескольких каналов обеспечивает достаточно высокие скорости передачи данных, теоретический максимум при всех занятых таймслотах TDMA составляет 171,2 кбит/c.

Абоненту, подключенному к GPRS, предоставляется виртуальный канал, который на время передачи пакета становится реальным, а в остальное время используется для передачи пакетов других пользователей. Поскольку один канал могут использовать несколько абонентов, возможно возникновение очереди на передачу пакетов, и, как следствие, задержка связи.

GPRS по принципу работы аналогична Интернет: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (необязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что по сути превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернет незаметна конечному пользователю.

 

EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution)

EDGE - цифровая технология для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS) сетями и поэтому ее можно отнести к поколению 2.75G. Эта технология работает в TDMA и GSM сетях. Для поддержки EDGE в сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования. EDGE был впервые представлен в 2003 году в Северной Америке.

EDGE обеспечивает передачу данных со скоростью до 474 кбит в секунду в режиме пакетной коммутации (8 тайм-слотов x 59,2 кбит на схеме кодирования MCS-9) соответствуя, таким образом, требованиям ITU к сетям 3G. Данная технология была принята ITU как часть семейства IMT-2000 стандартов 3G. Она также расширяет технологию передачи данных с коммутацией каналов HSCSD, увеличивая пропускную способность этого сервиса.

В 2004 году наиболее активно EDGE был поддержан GSM-операторами Северной Америки, более, чем где-либо в мире. Причиной этому послужил сильный соперник: CDMA2000.

Несмотря на то, что EDGE не требует аппаратных изменений в NSS-части сети GSM, модернизации должна быть подвергнута подсистема базовых станций (BSS). Необходимо установить трансиверы, поддерживающие EDGE (8PSK модуляцию) и обновить ПО. Также требуются телефоны, обеспечивающие аппаратную и программную поддержку модуляции и кодовых схем, используемых в EDGE.

 

CDMA2000

Последующее развитие технологии CDMA происходит в рамках технологии CDMA2000. При построении системы мобильной связи на основе технологии CDMA2000 1Х первая фаза обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, интернетом, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений.

Основными компонентами коммерческого успеха системы CDMA2000 являются более широкая зона обслуживания, высокое качество речи (практически эквивалентное проводным системам), гибкость и дешевизна внедрения новых услуг. Данная технология обеспечивает высокую помехозащищенность, устойчивость канала связи от перехвата и прослушивания, что делает его привлекательным в использовании для всех категорий абонентов.

Также немаловажную роль играет низкая излучаемая мощность радиопередатчиков абонентских устройств. Так, для систем CDMA2000 максимальная излучаемая мощность составляет 250 мВт, в то время как для систем GSM-900 этот показатель равен 2 Вт (в импульсе), а для GSM-1800 1 Вт (в импульсе).

 

Поколение 3G

3G - «третье поколение», набор услуг, которые объединяют как высокоскоростной мобильный доступ с услугами сети Интернет, так и технологию радиосвязи, которая создает канал передачи данных.

3G - это не просто быстрый доступ к Интернету, это кардинально новый подход к общению, доступу к информации и т. д. Другими словами, те возможности и те устройства, которые традиционно рассматривались как исключительно стационарные, станут мобильными. Пользователь сможет не только разговаривать со своим собеседником, но и видеть его с помощью видеотелефона, путешествовать по сети Интернет, вести бизнес, обучаться, развлекаться и все это с помощью небольшого устройства, напоминающего сегодняшний сотовый телефон. Естественно, такие услуги требуют высокоскоростной передачи данных. Для этого предусматривается пошаговая модернизация существующих сетей мобильной связи, которые изначально проектировались в расчете на узкополосную передачу данных, до широкополосных сетей, обеспечивающих необходимую скорость для мобильных услуг мультимедиа и доступа к Интернету.

Основой мобильной связи третьего поколения стала технология IP, которая основана на пакетной передаче данных, что означает постоянное пребывание абонента в режиме on-line.

Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона около 2 ГГц, передавая данные со скоростью 2 Мбит/с.

В мире сосуществуют два стандарта 3G: UMTS (или W-CDMA) и CDMA2000.

Хотя существует много различных интерпретаций того, что представляет собой 3G, единственным определением, принимаемым универсально, является определение, опубликованное Международным Институтом Электросвязи (ITU). ITU, работающий с промышленными организациями по всему миру, определяет и утверждает технические требования и стандарты, а также правила использования спектра для систем 3G в рамках программы IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000). IMT-2000 - это рекомендации, разработанные Международным Институтом Электросвязи (ITU), касающиеся вопросов использования частотного спектра и технических особенностей для всего семейства стандартов 3-го поколения. Рекомендации описывают пути эволюции существующих в мире стандартов 2-го поколения в стандарты 3-го поколения. ITU требует, чтобы сети IMT-2000 (3G), помимо прочих свойств, обеспечивали улучшенную емкость системы и эффективность использования спектра для систем 2G и поддерживали сервисы передачи данных со скоростями - минимум 144 кбит/с, при использовании в мобильном режиме (не в помещениях), и максимум 2 Мбита/с, в не мобильных условиях (в помещениях).

IMT-2000 обеспечивает:

• высокую скорость передачи данных как внутри помещений, так и на открытой местности;

• симметричную и асимметричную передачу данных;

• поддержку канальной и пакетной коммутации для обеспечения таких сервисов, как Internet Protocol (IP) и Real Time Video;

• высокое качество голоса, не уступающее качеству голоса при передаче по проводной линии;

• большую компактность спектра и более эффективное его использование;

• возможность глобального роуминга.

WCDMA (англ. Wideband Code Division Multiple Access — широкополосный множественный доступ с кодовым разделением) — технология радиоинтерфейса, использующая широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов, использующий две широкие полосы радиочастот по 5 МГц. Термин W-CDMA (3GPP Release 4) также используется для описания самостоятельного стандарта сотовой сети, проектировался как надстройка над GSM и работает в диапазоне 1900—2100 МГц.

WCDMA выбрана большинством операторов сотовой связи для обеспечения широкополосного радиодоступа с целью поддержки услуг 3G.

Технология оптимизирована для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг типа видео, доступа в Интернет и видеоконференций; обеспечивает скорости доступа вплоть до 2 Мбит/с на коротких расстояниях и 384 Кбит/с на больших с полной мобильностью. Такие величины скорости передачи данных требуют широкую полосу частот, поэтому ширина полосы WCDMA составляет 5 МГц.

Технология может быть добавлена к существующим сетям GSM и PDC, что делает стандарт WCDMA наиболее перспективным с точки зрения использования сетевых ресурсов и глобальной совместимости.

 

UMTS - Универсальная система мобильной связи (Universal Mobile Telecommunications System, UMTS)

UMTS, Универсальная система мобильной связи (Universal Mobile Telecommunications System) – технология сотовой связи, относящаяся к поколению 3G. В качестве способа передачи данных через воздушное пространство используется технология W-CDMA: стандартизованный в соответствии с проектом 3GPP ответ европейских ученых и производителей на требование IMT-2000, опубликованное Международным Союзом Электросвязи как набор минимальных критериев сети сотовой связи третьего поколения 3G.

С целью отличия от конкурирующих решений, UMTS (UMTS) также часто называют 3GSM с целью подчеркнуть принадлежность технологии к сетям третьего поколения 3G и его преемственность в разработках от сетей стандарта GSM.

UMTS, используя разработки W-CDMA, позволяет поддерживать скорость передачи информации на теоретическом уровне не менее 14 Мбит в сек. (при использовании HSDPA). Однако, в настоящий момент самыми высокими скоростями считаются 384 Кбит/сек для мобильных станций технологии R99 и 3,6 Мбит/сек для станций HSDPA в режиме передачи данных от базовой станции к мобильному терминалу. Но и это является несомненным прогрессом по сравнению со значением в 9,6 Кбит/сек при передаче данных по каналу GSM, или использованием в соответствии с технологией HSCSD нескольких каналов 9,6 Кбит/сек (при этом максимально достигаемая скорость – 14,4 Кбит/сек в CDMAOne), и, наряду с другими технологиями беспроводной передачи данных (CDMA2000, PHS, WLAN) позволяет получить доступ к Всемирной Паутине WWW и другим сервисам посредством использования мобильных станций.

Начиная с 2006 года на сетях UMTS повсеместно распространяется технология высокоскоростной пакетной передачи данных от базовой станции к мобильному терминалу HSDPA, которую принято относить к сетям поколения «3,5G». К началу 2008 года HSDPA поддерживала скорость передачи данных в режиме «от базовой станции к мобильному терминалу» до 7,2 Мбит/сек. Также ведутся разработки по повышению скорости передачи данных в режиме от мобильного терминала к базовой станции HSUPA. В долгосрочной перспективе, согласно проектам 3GPP, планируется эволюция UMTS в сети четвертого поколения 4G, позволяющие базовым станциям передавать и принимать информацию на скоростях 100 Мбит/сек и 50 Мбит/сек соответственно, благодаря усовершенствованному использованию воздушной среды посредством мультиплексирования с ортогональным частотным разделением сигналов OFDM.

UMTS позволяет пользователям проводить сеансы видеоконференций посредством мобильного терминала, однако опыт работы операторов связи Японии и некоторых других стран показал невысокий интерес абонентов к данной услуге. Гораздо более перспективным представляется развитие сервисов, предлагающих загрузку музыкального и видео контента: высокий спрос на услуги такого рода был продемонстрирован в сетях 2,5G.

В России

По результатам конкурса на получение лицензий для предоставления услуг сотовой связи в стандарте UMTS на территории России победителями оказались три крупнейших оператора стандарта GSM в РФ: в апреле 2007 года необходимые разрешения были выданы ОАО «Мобильные ТелеСистемы» (МТС), ОАО «Вымпелком» (торговая марка Билайн) и ОАО «МегаФон». Первым российским оператором, запустившим сеть третьего поколения в коммерческую эксплуатацию, стал “Северо-Западный филиал ОАО «Мегафон»”: в начале октября 2007 г. компания ввела в действие сеть из 30 базовых станций на территории г. Санкт-Петербурга,а к концу 2008 г. планирует построить на Северо-Западе 1000 базовых станций с поддержкой UMTS /HSDPA и полностью покрыть сетью 3G Петербург.^[1] 28 мая 2008 г. сеть 3G с поддержкой технологии HSDPA в Петербурге запустила в коммерческую эксплутацию компания МТС.^[2]15 июля 2008 г. в Сочи компания МТС запустила в коммерческую эксплутацию сеть 3G с поддержкой технологии HSDPA.^[3]Это позволило МТС стать вторым оператором России,начавшим предоставление услуг связи 3G- UMTS.

1 сентября 2008 года Вымпелком объявил о начале предоставления услуг на основе технологий UMTS в Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде, Самаре и Челябинске. 7 октября 2008 года компания Мегафон запустила в коммерческую эксплуатацию услуги 3G-сетей на основе технологии UMTS в Республике Дагестан, а именно в городе Махачкала.

 

Технология

Следующая ниже информация не применима к сетям, отличным от UMTS, но использующим воздушный интерфейс W-CDMA: таким, как например FOMA

UMTS развёртывается путём внедрения технологий воздушного интерфейса W-CDMA, TD-CDMA, или TD-SCDMA на «ядро» GSM. В настоящий момент большинство операторов, работающих как на сетях UMTS, так и других стандартов типа FOMA, выбирают в качестве технологии воздушного интерфейса W-CDMA.

Воздушный интерфейс UMTS использует в своей работе пару каналов с шириной полосы 5 МГц. Для сравнения, конкурирующий стандарт CDMA2000 использует один или несколько каналов с полосой частот 1,25 МГц для каждого соединения. Здесь же кроется и недостаток сетей связи, использующих W-CDMA: неэкономичная эксплуатация спектра и необходимость освобождения уже занятых под другие службы частот, что замедляет развертывание сетей, как, например, в США.

Согласно спецификациям стандарта, UMTS использует следующий спектр частот: 1885 МГц – 2025 МГц для передачи данных в режиме «от мобильного терминала к базовой станции» и 2110 МГц – 2200 МГц для передачи данных в режиме «от станции к терминалу». В США по причине занятости спектра частот в 1900 МГц сетями GSM выделены диапазоны 1710 МГц – 1755 МГц и 2110 МГц – 2155 МГц соответственно. Кроме того, операторы некоторых стран (например, американский AT&T Mobility) дополнительно эксплуатируют полосы частот 850 МГц и 1900 МГц. Далее, правительство Финляндии на законодательном уровне поддерживает развитие сети стандарта UMTS900, покрывающей труднодоступные районы страны и использующей диапазон 900 МГц (в данном проекте участвуют такие компании как Nokia и Elisa).

Для операторов связи, уже оказывающих услуги в формате GSM, переход в формат UMTS представляется лёгким с технической точки зрения и значительно затратным одновременно: при создании сетей нового уровня сохраняется значительная часть прежней инфраструктуры, но вместе с тем получение лицензий и приобретение нового оборудования для базовых станций требует значительных капитальных вложений.

Основным отличием UMTS от GSM является построение воздушной среды передачи данных на принципах Сети Общего Радиодоступа GeRAN. Это позволяет осуществлять стыки UMTS с цифровыми сетями интегрированного обслуживания ISDN, сетью Internet, сетями GSM или другими сетями UMTS. Сеть общего радиодоступа GeRAN включает три нижних уровня модели OSI (Open Systems Interconnection Model - модель Взаимодействия Открытых Систем), верхний из которых (третий, сетевой уровень) составляют протоколы, образующие системный уровень управления радиоресурсами (протокол RRM). Этот уровень ответственен за управление каналами между мобильными терминалами и сетью базовых станций (в том числе передача обслуживания терминала между базовыми станциями).

 

Модемные устройства

С помощью сотового маршрутизатора (cellular router), карточки PCMCIA или специального устройства USB пользователи получают возможность доступа к услугам передачи данных сетей UMTS вне зависимости от типа используемого компьютера (поддерживаются в том числе планшетные компьютеры и карманные персональные компьютеры). Часть программного обеспечения может устанавливаться автоматически при обнаружении операционной системой модема, и не требует дополнительных знаний по настройке подключения к сети.

Использование мобильного терминала, имеющего доступ к сетям 3G, в качестве маршрутизатора позволяет установить соединение с сетью Интернет посредством Bluetooth ноутбукам самых разных марок и производителей.