GSM— глобальная система мобильной связи

Таблица поколений связи

Поколение	1G	2G	2.5G	3G	3.5G	4G
Реализация					2006—2007	2008—2010
Скорость передачи	1,9 кбит/с	14,4 кбит/с	384 кбит/с	2 Мбит/с	3-14 Мбит/с	1 Гбит/с
Стандарты	AMPS, TACS, NMT	TDMA, CDMA, GSM, PDC	GPRS, EDGE, 1xRTT	WCDMA, CDMA2000, UMTS	HSDPA	LTE

Поколение 1G

История начинается с появления в 1980-х годах нескольких новаторских сетевых технологий: AMPS в США и сочетание TACS и NMT в Европе. Хотя несколько поколений услуг мобильной связи существовали и раньше, тройка AMPS, TACS и NMT считается первым поколением (1G), потому что именно эти технологии позволили мобильным телефонам стать массовым продуктом.

Во времена 1G никто не думал об услугах передачи данных — это были чисто аналоговые системы, задуманные и разработанные исключительно для осуществления голосовых вызовов и некоторых других скромных возможностей. Модемы существовали, однако из-за того, что беспроводная связь более подвержена шумам и искажениям, чем обычная проводная, скорость передачи данных была невероятно низкой. К тому же, стоимость минуты разговора в 80-х была такой высокой, что мобильный телефон мог считаться роскошью.

Отдельно хочется упомянуть первую в мире автоматическую систему мобильной связи «Алтай», которая была запущена в Москве в 1963 году. «Алтай» должен был стать полноценным телефоном, устанавливаемым в автомобиле. По нему просто можно было говорить, как по обычному телефону (т.е. звук проходил в обе стороны одновременно, т.н. дуплексный режим). Чтобы позвонить на другой «Алтай» или на обычный телефон, достаточно было просто набрать номер — как на настольном телефонном аппарате, без всяких переключений каналов или разговоров с диспетчером.

Аналогичная система в США, IMTS (Improved Mobile Telephone Service), была запущена в опытной зоне на год позже. А коммерческий ее запуск состоялся лишь в 1969 году. Между тем в СССР к 1970 году «Алтай» был установлен и успешно работал уже примерно в 30 городах. Кстати, в Воронеже и Новосибирске система действует до сих пор.

Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления (или сигнализации - signaling). Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот - применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access - FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем - относительно низкая емкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов. Этот недостаток стал очевиден уже к середине 80-х годов, в самом начале широкого распространения сотовой связи в ведущих странах, и сразу же значительные силы были направлены на поиск более совершенных технических решений. В результате этих усилий и поисков появились цифровые сотовые системы второго поколения. Переход к цифровым системам сотовой связи стимулировался также широким внедрением цифровой техники в связь в целом и в значительной степени был обеспечен разработкой низкоскоростных методов кодирования и появлением сверхминиатюрных интегральных схем для цифровой обработки сигналов.

NMT (Nordic Mobile Telephone) – «Скандинавский стандарт»

NMT - один из самых старых стандартов сотовой связи, разработан в 1978 году и впервые введён в эксплуатацию в 1981.

Стандарт NMT является аналоговым и относится к группе FDMA (Frequency Division Multiplie Access - Множественный Доступ с Частотным Разделением) стандартов сотовой связи. Основное преимущество - большой радиус действия базовой станции. Вполне приличная связь в 70-ти км от БС - не редкость для NMT. Главная беда NMT-450 - значительный уровень помех в диапазоне 450 МГц в крупных промышленных городах. Но стоит удалиться от города - качество связи сильно улучшается и зачастую превосходит качество проводных телефонных сетей.

Каждому абоненту для разговора предоставляется в полное распоряжение отдельный полнодуплексный радиоканал. Рабочие частоты находятся в двух полосах: 453-457, 5 МГц для канала от сотового телефона к базовой станции и 463-467, 5 МГц для канала от базовой станции к телефону. Частотный разнос каналов приёма и передачи - 10 МГц. Изначально в NMT использовалась сетка каналов с шагом 25 КГц, но с увеличением количества абонентов шаг сетки уменьшили до 12,5 КГц, вставив между обычными каналами дополнительные, увеличив тем самым ёмкость сети.

Взаимодействие телефона с сетью

Базовые станции сети NMT объединены в группы, называемые TA (traffic area). Каждая TA управляется своим коммутатором. При включении телефона или при пересечении границы TA телефон пытается зарегистрироваться в новой TA. Для общения с коммутатором используется служебный канал связи, по которому передаются данные. После того как телефон зарегистрировался в TA, он переходит в состояние ожидания вызова, а коммутатор запоминает, что данный абонент находится в его TA. В состоянии ожидания вызова телефон периодически включает приёмник для отслеживания уровня сигнала от БС, и если он падает ниже определённого предела, телефон пытается найти другой служебный канал или другую БС с более сильным сигналом; если таковая находится, он слушает уже её. Если при перемещении изменилась TA, то телефон перерегистрируется. При этом коммутатор предыдущей TA "вычёркивает" этот аппарат из своего списка.

Сигнал вызова абонента поступает сразу на все БС той TA, в которой зарегистрирован телефон. При ответе на звонок или при совершении исходящего звонка телефон переключается на разговорный канал, чтобы освободить служебный канал для других абонентов. По окончании разговора телефон вновь переходит в состояние ожидания вызова.

О дополнительных сервисах

С течением времени в стандарт добавлялись различные сервисы: определение номера, и голосовая почта, факс-почта, конференц-связь, переадресация вызова, SMS, синхронизация часов и т.п. Особенно интересно выглядит SMS в NMT. Данные SMS в NMT сетях передаются по разговорному каналу. А значит, их можно принять и декодировать, минуя оператора сотовой связи. Реализовано это следующим образом: в телефоне есть модем. При отправке сообщения телефон звонит по номеру, указанному как "Номер SMS-центра" и своим модемом коннектится с модемом SMS-центра, после чего следует обмен данными по основному (голосовому) каналу: телефон отправляет сообщения, помеченные для отправки, и забирает сообщения от SMS-центра, если там есть сообщения для этого телефона.

AMPS

AMPS (Advanced Mobile Phone Service - усовершенствованная подвижная телефонная служба) - аналоговый стандарт мобильной связи в диапазоне частот от 825 до 890 МГц, разработанный для Северной Америки, затем распространившийся и в других странах.

Первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone System) заработала в Чикаго 13 октября 1983 года. Думаю, ее можно считать “родоначальницей” всех современных сотовых систем, поскольку существовавшие ранее технологии мобильной связи следует скорее относить к транковому, нежели к сотовому типу. Основным мотивом разбиения территории на ячейки (cells) послужило стремление эффективно использовать радиоволновой ресурс - ведь достаточно удаленные друг от друга соты могут работать на одних и тех же частотах!

Более высокая, чем у NMT-450, емкость сетей. Низкий уровень индустриальных и атмосферных помех. Более надёжная, чем у NMT-450, связь в помещениях. Меньшая зона устойчивой связи для одной базовой станции, что вынуждает операторов ставить их ближе друг к другу. Не распространён в Европе и Азии. AMPS морально устарел, и в 1990 в США был разработан стандарт D-AMPS.

Система AMPS использует 832 дуплексных канала, каждый из которых состоит из пары симплексных каналов. 832 симплексных канала передачи располагаются в диапазоне от 824 до 849 МГц, и еще 832 симплексных канала приема — от 869 до 894 МГц. Ширина каждого канала составляет 30 кГц. Таким образом, для раз­деления каналов в системе AMPS используется частотное уплотнение.

В диапазоне 800 МГц длина радиоволн составляет около 40 см. Такие радио­волны распространяются строго по прямой линии. Они поглощаются деревьями и отражаются от поверхности земли и зданий. Может случиться так, что сигнал с мобильного телефона достигнет базовой станции по прямому пути, но, кроме то­го, с небольшим запозданием попадет на ту же станцию, отразившись от земли или здания. Такой эффект может привести к появлению эха или искажению сиг­нала (многолучевое затухание). Иногда можно услышать отдаленный разговор, отразившийся несколько раз.

Все 832 канала можно разделить на четыре категории:

1. Управляющие каналы (от базы к мобильному телефону) для управления сис­темой.

2. Пейджинговые каналы (от базы к мобильному телефону) для передачи сооб­щений мобильным пользователям.

3. Каналы доступа (двунаправленные) для установления соединения и назначе­ния каналов.

4. Каналы данных (двунаправленные) для передачи голоса, факса или данных.

Для управления резервируется 21 канал. Они прошиваются в программируемом запоминающем устройстве (ППЗУ) каждого телефона. Поскольку одни и те же частоты не могут использоваться в соседних сотах, то число голосовых каналов, доступных в пределах одной ячейки, значительно меньше 832 — обычно около 45.

Управление вызовом

Каждый мобильный телефон в системе AMPS снабжается 32-разрядным поряд­ковым номером и 10-значным телефонным номером, которые записываются в ППЗУ телефона. Телефонный номер состоит из 3-значного кода области, зани­мающего 10 бит, и 7-значного номера абонента, занимающего 24 бита. При вклю­чении телефон сканирует запрограммированный список из 21 управляющего ка­нала, в котором он ищет наиболее сильный сигнал.

Затем телефон передает в эфир свой 32-разрядный порядковый номер и 34-разрядный телефонный номер. Как и вся управляющая информация в систе­ме AMPS, этот пакет посылается в цифровой форме несколько раз с применени­ем помехоустойчивого кодирования, хотя сами голосовые каналы являются ана­логовыми.

Когда базовая станция слышит этот сигнал, она передает сообщение коммута­тору MTSO, который фиксирует появление нового пользователя, а также инфор­мирует «домашний» коммутатор абонента о его новом местоположении. Обычно мобильный телефон регистрируется примерно каждые 15 минут.

Чтобы позвонить с мобильного телефона, его владелец включает телефон, вво­дит номер и нажимает клавишу SEND. При этом телефон посылает набранный те­лефонный номер вместе со своими идентификаторами по каналу доступа. Если при этом происходит коллизия, то телефон повторяет попытку позже. Когда базо­вая станция получает запрос, она информирует об этом коммутатор. Если звоня­щий является клиентом оператора связи, которому принадлежит данный комму­татор (или одного из ее партнеров), тогда коммутатор ищет для него свободный канал. Если такой канал находится, то номер этого канала посылается обратно по управляющему каналу. Затем мобильный телефон автоматически переключа­ется на выбранный голосовой канал и ждет, пока тот, кому звонят, ответит.

Входящие звонки обрабатываются иначе. Находящиеся в режиме ожидания те­лефоны постоянно прослушивают пейджинговый канал, ожидая адресованных им сообщений. Когда поступает звонок на мобильный телефон (с обычного или друго­го мобильного телефона), то пакет посылается на «домашний» коммутатор вызы­ваемого, которому должно быть известно текущее местонахождение абонента. Этот пакет пересылается на базовую станцию в его текущей ячейке, которая посылает по пейджинговому каналу сообщение типа: «Элемент 14, вы здесь?». При этом теле­фон, которому звонят, по управляющему каналу отвечает: «Да». Тогда базовая стан­ция ему сообщает: «Элемент 14, вам звонок по каналу 3». После этого сотовый телефон переключается на канал 3 и начинает издавать звуковые сигналы (или про­игрывать мелодию, которую владельцу подарили на день рождения).

Другие стандарты:

· TACS (Total Access Communications System – общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) - используется в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония); это второй по распространенности стандарт среди аналоговых;

· С-450 (диапазон 450 МГц) - используется в Германии и Португалии;

· RTMS (Radio Telephone Mobile System - мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц) - используется в Италии;

· Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) - используется во Франции;

· NTT (Nippon Telephone and Telegraph system - японская система телефона и телеграфа, диапазон 800…900 МГц - в трех вариантах) - используется в Японии.

Поколение 2G

Первое поколение сотовых телефонных систем было аналоговым. Второе поколе­ние является цифровым. Как не было никаких четких стандартов в первом поко­лении мобильных телефонов, так не появились они и ко второму поколению. Сейчас используются четыре системы второго поколения: D-AMPS, GSM, CDMA и PDC. Далее мы обсудим первые три из них. PDC нашла применение только в Японии и является, на самом деле, модификацией D-AMPS, направленной на со­хранение совместимости с японским аналоговым оборудованием первого поколе­ния. Название PCS (Personal Communications Services — персональная служба связи) иногда используется в литературе по маркетингу и означает систему вто­рого поколения (цифровую, разумеется). Изначально так назывался телефон, ра­ботающий в диапазоне 1900 МГц, впрочем, сейчас различия почти стерлись.

D-AMPS — цифровая усовершенствованная мобильная связь

Вторым поколением AMPS является полностью цифровая система D-AMPS. Она описывается международным стандартом IS-54 и его последователем — IS-136. Система D-AMPS была разработана таким образом, чтобы она могла успешно со­существовать с AMPS и мобильные телефоны первого и второго поколения могли работать одновременно в одной и той же соте.

В частности, D-AMPS использует те же 30-герцевые каналы, что и AMPS. Они располагаются в том же диапазоне, то есть может получиться так, что какой-то канал будет аналоговым, а соседние с ним каналы — цифровыми. В зависимости конкретного набора телефонов в данной ячейке ее коммутатор определяет, ка-каналы цифровые, какие аналоговые, и может динамически менять их тип в зависимости от того, какие телефоны попадают или выходят из зоны действия базовой станции ячейки. Когда D-AMPS была представлена как новая служба, для нее был выделен дополнительный диапазон, с расчетом на увеличение на­грузки. Исходящие каналы расположили на частотах 1850-1910 МГц, а соответ­ствующие входящие каналы — на частотах 1930-1990 МГц. Как и в AMPS, каналы парные. В этой полосе длина волн составляет 16 см, поэтому стандартная антен­на размером в четверть длины волны будет размером всего лишь 4 см, что дает возможность создать более компактные телефоны. Тем не менее многие телефо­ны D-AMPS могут использовать оба диапазона (как 850, так и 1900 МГц), что позволяет использовать увеличенный набор доступных каналов.

В мобильном телефоне системы D-AMPS голосовой сигнал захватывается микрофоном, оцифровывается и сжимается при помощи более сложной модели, чем дельта-модуляция и схема предсказания. Метод компрессии в данном случае принимает в расчет особенности человеческого го­лоса, сжимая речь со стандартных 56 Кбит/с (РСМ-кодирование) до 8 Кбит/с и даже меньше. Сжатие производится специальной схемой, называемой вокодером (Bellamy, 2000), прямо в телефоне, а не на базовой или коммутационной станции. Это уменьшает размеры информации, которую необходимо передать в эфир. При использовании стационарной телефонии нет никакого смысла в сжа­тии данных в самом телефонном аппарате, поскольку уменьшение трафика в ло­кальной линии никак не влияет на общую емкость системы.

Когда же речь идет о мобильной связи, то в оцифровке и сжатии данных в самой трубке есть значительная выгода: достаточно сказать, что три абонента D-AMPS могут одновременно использовать одну и ту же пару частотных каналов за счет мультиплексирования с разделением времени. Каждая пара частот поддержива­ет скорость 25 кадров/с (40 мс на кадр).

Использование улучшенных алгоритмов сжатия может позволить уложить речь в 4 Кбит/с, в этом случае один кадр может использоваться одновременно ше­стью абонентами. С точки зрения операторов мо­бильной связи, возможность сжатия данных в 3-6 раз относительно AMPS — это большая победа.

Структура управления D-AMPS довольно сложна. Используются шесть основных управляющих каналов: конфигурация сис­темы, управление в реальном и модельном (не реальном) времени, пейджинговые функции, ответы на запросы доступа и короткие сообщения. Но концептуально работа D-AMPS не отличается от работы AMPS. Когда телефон включен, он на­ходится в контакте с базовой станцией, сообщая о себе и прослушивая управ­ляющий канал на предмет входящих звонков. Обнаружив новый телефон, ком­мутатор информирует домашнюю базу абонента о его местонахождении, благодаря чему звонки могут быть корректно маршрутизированы.

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.