Технологии мобильной связи третього поколения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломная работа

на тему: Технологии мобильной связи третього поколения

Федецов В.Г.

Введение

Мобильные устройства принято классифицировать по поколениям (G - generation), к которому они принадлежат. Наименование началось с появления телефонов поколения 1G, которые часто называют "кирпичами”. Они действительно были первыми телефонами, появившимися на рынке. Далее последовало второе поколение телефонов или поколение 2G. Их появление привело к переходу от аналоговых к цифровым технологиям.

Телефоны следующего поколения появились в конце 1990-х. Третье поколение или 3G положило начало передачи данных на больших скоростях, и именно начиная с поколения 3G, стало возможным использовать сотовый телефон для передачи больших объемов данных. Соответственно, четвертое поколение 4G - это самая последняя технология передачи данных. Или же новая сеть 4G.

Стандарт 4G несомненно более совершенная технология предоставления мультимедийных услуг абоненту мобильной связи. Но гонка за "быстротой" не всегда может быть выиграна одним лишь желанием пользователей и операторов мобильной связи. Стандарт 4G также предполагает наличие соответствующего оконечного устройства у непосредственного пользователя сети 4G, т.е. мобильного телефона поддерживающего сети 4-го поколения. Конечно такое оборудование стоит на несколько порядков дороже телефонов поддерживающих только сети 3G. Поэтому темой своей дипломной работы я выбрал исследование сетей 3G, как инструмента предоставления наиболее быстрого интернета из всех возможных технологий мобильной передачи данных для наиболее широкой массы пользователей (ссылаясь на экономические возможности пользователей и операторов, а также поддерживаемость стандартов и легкости настройки оборудования).

Целью данной дипломной работы является исследование технологий мобильной связи третьего поколения, т.е. 3G, как технологии быстро набирающей популярность и получающей все большее распространение среди мобильных операторов Украины. Необходимо проанализировать состояние сетей 3G на украинском рынке мобильных услуг. А также сравнить технологии CDMA2000 и W-CDMA между собой.

1. История развития сетей мобильной связи

1.1 Поколение 1G

Все первые системы сотовой связи были аналоговыми. К ним относятся:(Advanced Mobile Phone Service - усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) - широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; известен также как "североамериканский стандарт"; это наиболее распространенный стандарт в мире, обслуживающий почти половину всех абонентов сотовой связи (вместе с цифровой модификацией D-AMPS); используется в странах СНГ в качестве регионального стандарта (в основном - в варианте D-AMPS), где он также является наиболее распространенным; (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; еще недавно, в 1995 г., он занимал и общее второе место в мире по величине абонентской базы, но в 1997 г. оттеснен на четвертое место более быстро развивающимися цифровыми стандартами;450 и NMT 900 (Nordic Mobile Telephone - мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) - используется в Скандинавии и во многих других странах; известен также как "скандинавский стандарт"; третий по распространенности среди аналоговых стандартов мира; стандарт NMT 450 является одним из двух стандартов сотовой связи, принятых в Украине (второй - цифровой стандарт GSM 900);

С-450 (диапазон 450 МГц) - используется в Германии и Португалии; (Radio Telephone Mobile System - мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц) - используется в Италии;2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) - используется во Франции; (Nippon Telephone and Telegraphsystem - японская система телефона и телеграфа, диапазон 800…900 МГц - в трех вариантах) - используется в Японии.

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.

Мобильные телефоны первого поколения были размером немногим меньше среднестатистического чемодана и состояли из базы и отдельной трубки, которую практически нельзя было носить с собой. Сейчас трудно себе представить такое чудо техники, которое весило несколько килограммов, излучало 20-30 ваттный сигнал и имело антенну размером 30-40 сантиметров в длину. Максимальная скорость передачи голоса составляла 9.6 Kbit/s, а скорость передачи данных равнялась 1.9 Kbit/s. На западном рынке стандарт NMT был представлен несколько иными стандартами (AMPS advanced mobile phone service) и TACS (total access communications system).

Первый опыт эксплуатации аналоговых систем позволил выявить также и ряд присущих им недостатков: возможность прослушивания переговоров, наличие двойников, перегруженность частотного диапазона вследствие его неэффективного использования, ограниченность зоны действия. Кроме того, распространение радиоволн в условиях интенсивных городских застроек связано с возникновением глубоких селективных замираний, вызванных многолучевым распространением радиоволн. Наличие замираний приводит к ухудшению отношения сигнал/шум на выходе ЧМ приемника на 10-20 дБ. Таким образом, с точки зрения качества передачи речи системы первого поколения не оправдали возлагавшихся на них ожиданий.

Начиная с середины 80-х годов, в мире начался интенсивный рост числа подвижных абонентов, который превзошел все самые смелые прогнозы. Стало ясно, что существующие аналоговые системы, базирующиеся на большом числе несовместимых друг с другом стандартов, не отвечают современным требованиям, и переход от действующих аналоговых сетей к цифровым технологиям является неизбежным. Число абонентов аналоговых сетей с каждым годом стремительно уменьшается, а в некоторых странах наметился полный отказ от них.

1.2 Поколение 2G

В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне. Работа над соответствующим стандартом была начата в 1988 г. и закончена в 1992 г.; стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS - сокращение от Interim Standard, т.е. "промежуточный стандарт"). Его практическое использование началось в 1993 г. 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. Еще один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. - PDC (Personal Digital Cellular - буквально "персональная цифровая сотовая связь"). Но на этом развитие цифровых систем сотовой связи не остановилось.

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления. Дело в том, что цифровая версия IS-54 сохранила структуру каналов управления аналогового AMPS, что ограничивало возможности системы. Новые чисто цифровые каналы управления введены в версии IS-136, которая была разработана в 1994 г. и начала применяться в 1996 г. При этом была сохранена совместимость с AMPS и IS-54, но повышена емкость канала управления и заметно расширены функциональные возможности системы.

Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически (последовательно вводимые фазы 1, 2 и 2+), в 1989 г. пошел на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи.

Отличие последней от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке: более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости, и именно расчет на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, легкими, удобными и недорогими абонентскими терминалами был заложен в основу этой системы. Соответствующий стандарт (в виде дополнений к исходному стандарту GSM 900) был разработан в Европе в 1990 - 1991 гг. Система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System - цифровая система сотовой связи; первоначально использовалось также наименование PCN - Personal Communications Network, что в буквальном переводе означает "сеть персональной связи") и начала использоваться с 1993 г. В 1996 г. было принято решение именовать ее GSM 1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в Америке название диапазона систем персональной связи (PCS - Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS (версия IS-136, но аналогового AMPS в диапазоне 1900 МГц уже нет), и разработана соответствующая версия стандарта GSM ("американский" GSM 1900 - стандарт IS-661).

1.3 Поколение 2.5G

Поколение 2.5G представлено стандартами GPRS и WiDEN.

Мобильные телефонные сети изначально были рассчитаны именно на передачу голоса. Поэтому, хотя GSM (Global System for Mobile Communications) 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 даннуюсоту), вдруг начнут одновременно звонить.

Предоставление полноценного скоростного доступа сети, да еще и так, чтобы не мешать другим абонентам говорить, требует совершенно другой архитектуры построения сети мобильной связи, например, такой, как в сетях третьего поколения (3G) или наиболее близких к ним современных сетям CDMA.

Вот тут-то и пришла на выручку технология GPRS. Это своеобразный мостик между обычными (GSM) сетями и сетями третьего поколения, позволяющий реализовать некоторые новые элементы на базе уже существующих сетей.

При связи мобильного телефона с базовой станцией мобильной сети по технологии GPRS данные транслируются в паузах между передачей голоса на частотах, которые в этот же момент могут использоваться для разговоров другими абонентами.(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. На структурном уровне систему GPRS можно разделить на две части: подсистему базовых станций (BSS) и опорную сеть GPRS (GPRS CoreNetwork).

В BSS входят все базовые станции и контроллеры, которые поддерживают пакетную передачу данных. Для этого BSC (Base Station Controller) дополняется блоком управления пакетами - PCU (PacketControllerUnit), а BTS (BaseTranceiverStation) - кодирующим устройством CCU (ChannelCodecUnit).

Основным элементом опорной сети является сервисный узел поддержки GPRS - SGSN (Serving GPRS SupportNode). Он занимается обработкой пакетной информации и преобразованием кадров данных GSM в форматы, используемые протоколами TCP/IP.

Шлюзы с внешними сетями (Internet, intranet, X.25) называют GGSN (Gateway GPRS SupportNode). Обмен информацией между SGSN и GGSN происходит на основе IP-протоколов.

Также в состав GPRS Core входят DNS (DomainNameSystem) и ChargingGateway (шлюз для связи с системой тарификации).

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. Тройка стандартов в Украине 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. Существуют различные классы GPRS, различающиеся скоростью передачи данных и возможностью совмещения передачи данных с одновременным голосовым вызовом.

Передача данных разделяется по направлениям "вниз" (downlink, DL) - от сети к абоненту, и "вверх" (uplink, UL) - от абонента к сети. Мобильные терминалы разделяются на классы по количеству одновременно используемых таймслотов для передачи и приёма данных. Современные телефоны (июнь 2006) поддерживают до 4-х таймслотов одновременно для приёма по линии "вниз" (то есть могут принимать 85 килобит в секунду по кодовой схеме CS-4), и до 2-х для передачи по линии "вверх" (class 10 или 4+2).

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. Например, современная версия программного обеспечения контроллеров базовых станций допускает одновременное использование одного таймслота шестнадцатью абонентами в разное время и до 5 (из восьми) таймслотов на частоте, итого - до 80 абонентов, пользующихся GPRS на одном канале связи (средняя максимальная скорость при этом 21,4*5/80 = 1,3 кбит/с на абонента). Другой крайний случай - пакетирование таймслотов в один непрерывный с вытеснением голосовых абонентов на другие частоты (при наличии таковых и с учётом приоритета). При этом телефон, работающий в режиме GPRS, принимает все пакеты на одной частоте и не тратит времени на переключения. В этом случае скорость передачи данных достигает максимально возможной, как и описано выше, 4+2 таймслота (class 10).

Технология GPRS использует GMSK-модуляцию. В зависимости от качества радиосигнала, данные, пересылаемые по радио эфиру, кодируются по одной из 4-х кодовых схем (CS1-CS4). Каждая кодовая схема характеризуется избыточностью кодирования и помехоустойчивостью, и выбирается автоматически в зависимости от качества радиосигнала.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. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернет (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, Jabber и др.). Также при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический).

1.4 Поколение 2.75G

EDGE (англ. EnhancedDataratesfor GSM Evolution) - цифровая технология для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS) сетями. Эта технология работает в TDMA и GSM сетях. Для поддержки EDGE в сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования. На основе EDGE могут работать: ECSD - ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD, EHSCSD - по каналу HSCSD, и EGPRS - по каналу GPRS. EDGE был впервые представлен в 2003 году в Северной Америке.мобильный аналоговый цифровой интернет

В дополнение к GMSK (англ. Gaussian minimum-shift keying) EDGE используетмодуляцию8PSK (англ. 8 PhaseShiftKeying) для пяти из девяти кодовых схем (MCS). EDGE получает 3-х битовое слово за каждое изменение фазы несущей. Это эффективно (в среднем в 3 раза в сравнении с GPRS) увеличивает общую скорость, предоставляемую GSM. EDGE, как и GPRS, использует адаптивный алгоритм изменения подстройки модуляции и кодовой схемы (MCS) в соответствии с качеством радиоканала, что влияет, соответственно, на скорость и устойчивость передачи данных. Кроме того, EDGE представляет новую технологию, которой не было в GPRS - IncrementalRedundancy (нарастающая избыточность) - в соответствии с которой вместо повторной отсылки повреждённых пакетов отсылается дополнительная избыточная информация, которая накапливается в приёмнике. Это увеличивает возможность правильного декодирования повреждённого пакета.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. Большинство других GSM-операторов рассматривали в качестве следующего шага развития технологию UMTS, поэтому предпочли либо пропустить внедрение EDGE, либо использовать его там, где будет отсутствовать покрытие UMTS-сети. Однако высокая стоимость и объём работ по внедрению UMTS (как показала практика) заставили некоторых западноевропейских операторов пересмотреть свой взгляд на EDGE как на целесообразный.

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.

1.5 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 станет технология IP, которая основана на пакетной передаче данных, что означает постоянное пребывание абонента в режиме on-line; при этом оплачиваться будет только объем переданной и полученной информации, а не время соединения, как это происходит сегодня.

Для реализации систем третьего поколения разработаны рекомендации по глобальным унифицированным стандартам мобильной связи: обеспечение качества передачи речи, сравнимого с качеством передачи в проводных сетях связи; обеспечение безопасности, сравнимой с безопасностью в проводных сетях; обеспечение национального и международного роуминга; поддержка нескольких местных и международных операторов; эффективное использование спектра частот; пакетная и канальная коммутация; поддержка многоуровневых сотовых структур; взаимодействие с системами спутниковой связи; поэтапное наращивание скорости передачи данных вплоть до 2 Мбит/с. Несмотря на то, что конечная цель для всей индустрии телекоммуникаций - создать единую всемирную среду мобильной связи, поддерживающую широкополосные системы и обеспечивающую глобальную мобильность, в результате, скорее всего, возникнет некоторое семейство стандартов, обеспечивающее услуги третьего поколения.

Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона около 2 ГГц, передавая данные со скоростью 2 Мбит/с. Они позволяют организовать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы и т. д. В мире сосуществуют два стандарта 3G: UMTS (или W-CDMA) и CDMA2000. UMTS распространен в основном в Европе, CDMA2000 - в Азии и США. По данным Wireless Intelligence, на конец ноября 2006 г. в мире насчитывалось 364 млн. абонентов 3G, из них 93,5 млн. были подключены к сетям UMTS и 271,1 млн. - к СDMA2000.

Решение этой проблемы (совместимость стандартов и глобальный роуминг) абсолютно аналогично уже применяющемуся сегодня - разработка много модовых терминалов, способных работать в двух и более стандартах.

Термин 3G используется для описания сервисов мобильной связи стандарта следующего (третьего) поколения, которые обеспечивают более высокое качество звука, а также высокоскоростную интернет-связь и мультимедийные сервисы. Мобильные сети третьего поколения (3G) отличаются от сетей второго поколения (2G), таких как, например цифровой стандарт мобильной связи GSM и переходного поколения (2.5G), таких как, например GPRS - гораздо большей скоростью передачи данных, а также более широким набором и высоким качеством предоставляемых услуг.

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).

Основываясь на этих требованиях, в 1999 году ITU одобрил пять радио интерфейсов для стандартов IMT-2000, как часть рекомендаций ITU-R M.1457. CDMA2000 - это один из пяти упомянутых стандартов. Он также известен под названием IMT-CDMA Multi Carrier в классификации ITU.3G предлагает практически осуществимое решение для любого существующего на рынке сотового или PCS оператора - а также операторов, уже имеющих новую лицензию 3G. CDMA-2000 был разработан таким образом, что любой беспроводный носитель, вне зависимости от интерфейса, частоты или стандартов базовой сети, может извлечь пользу из его спектральной эффективности. С учётом специфики существующих в мире на сегодняшний день сетей сотовой связи, были разработаны варианты миграции этих сетей в сети третьего поколения.

В продолжение описания преимуществ сетей третьего поколения, можно утверждать, что помимо услуг интернет доступа и видеоконференц-связи, клиенты 3G смогут воспользоваться удаленным доступом к корпоративной сети. Третье поколение сотовой связи в корне изменит такое понятие, как мобильная работа. Сотрудник сможет выполнять свои задачи в любом месте, даже не выходя из дома.

Важным элементом услуг 3G станет мобильная электронная коммерция, когда оплатить товары и услуги можно будет через мобильный телефон. Он тем самым превратится в виртуальный кошелек. Кроме того, разработчики всерьез рассматривают возможность запуска такой услуги, как удаленная медицинская диагностика. 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 InternetProtocol (IP) и RealTimeVideo;

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

. большую компактность спектра и более эффективное его использование;

. возможность глобального роуминга.

Программа IMT-2000 базируется на ряде признаков, определяющих принципы построения систем 3-го поколения и их архитектуру. Уже на первом этапе развертывания они должны обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т. е. разных скоростей его движения) в зависимости от величины зоны покрытия:

до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия;

до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;

до 64 (144) кбит/с при глобальном покрытии (спутниковая связь).

Сегодня в мире существуют две основные конкурирующие концепции 3G: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems - универсальная мобильная телекоммуникационная система), поддерживаемая европейскими странами, и CDMA 2000 (Code Division Multiple Access - мультидоступ с кодовым разделением каналов), сторонниками которой традиционно являются азиатские страны и США. В принципе эти две технологии предполагают два различных подхода к организации сетей 3G: революционный (UMTS) и эволюционный (разновидности CDMA - CDMA2000, CDMA2000 IX, CDMA2000 IX EvDo). Эволюционный путь подразумевает сохранение частот и постепенный переход к новым технологиям, путем наращивания технических мощностей оператора. UMTS - совершенно новый стандарт, в то время как разновидности CDMA, предложенные для 3G, являются развитием уже эксплуатирующейся в мире технологии второго поколения cdmaOne (IS-95).

В настоящее время сети 3G уже работают в Азии, США, в то время как в Европе существует пока только в тестовых вариантах. Наиболее впечатляющих успехов в области 3G на мировом фоне добилась Япония. Там сегодня работают два оператора, которые предоставляют услуги третьего поколения, - это NTT DoCoMo и KDDI. К 2003 году в Японии появится третий оператор, владеющий сетью 3G - J-Phone Communications. Используя CDMA2000 и WCDMA технологии, первые всемирные коммерческие 3G сети уже обслуживают миллионы абонентов. К концу октября 2002 года, KDDI подключил 3,9 миллиона абонентов CDMA2000, NTT DоCоMо - 149,000 абонентов FOMA (WCDMA). Также к концу октября общее количество абонентов в Корее составило более чем 15 миллионов абонентов CDMA2000. По данным на 16 декабря 2002 года в мире запущено 32 сети третьего поколения в 16 странах.

1.6 Поколение 3.5G

Переходное поколение 3.5G представлено стандартом HSDPA.

Для сотовых сетей сегодня существует несколько протоколов, увеличивающих скорость передачи данных. Однако фактически ни один из них не способен экономить ресурсы мобильной сети, что делает такой трафик дорогим и неэффективным. Задуманный ведущими производителями инфраструктурного оборудования мобильной связи протокол HSDPA призван повысить производительность сети именно за счет более эффективного использования радиоканала, в частности сокращением задержек при передаче пакетов. Технология HSDPA не несет в себе ничего нового, но изменяет представление пользователя о мобильных сетях передачи данных третьего поколения.(англ. High-Speed Downlink Packet Access - высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) - стандарт мобильной связи, рассматривается специалистами как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвертого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/сек., практическая достижимая в существующих сетях - около 3 Мбит/сек.

По сравнению с UMTS, в сети HSDPA можно передавать в три раза больше данных и поддерживать вдвое больше пользователей на одну соту.

В ее основе лежит теория, согласно которой при сопоставимых размерах сот применение много кодовой передачи позволяет достигать пиковых скоростей порядка 10 Мбит/с (теоретически максимальная скорость передачи данных в этих условиях составляет 14,4 Мбит/с).

Стандарты 3GPP, которые станут пятой версии, нацелены на дальнейшее увеличение пропускной способности: достижение пиковых скоростей порядка 20-30 Мбит/с при помощи технологии Multiple и иных способов применения антенных решеток.

Кроме того, HSDPA значительно улучшает качество предоставляемых абоненту мультимедийных услуг (именно за счет высокой скорости задержка становится неощутимой, а объем передаваемой информации увеличивается). По словам главного аналитика Gartner Group по вопросам мобильной инфраструктуры Джейсона Чепмена, “ позиционирование HSDPA поможет ускорить внедрение сетей 3G. Эта технология предоставляет новые возможности для поддержки приложений, включая загрузку сетевого контента”.

2. Технологии 3G сетей сотовой связи

Мобильная связь третьего поколения строится на основе пакетной передачи данных. Для реализации систем третьего поколения разработаны рекомендации по глобальным унифицированным стандартам мобильной связи:

обеспечение качества передачи речи, сравнимого с качеством передачи в проводных сетях связи;

обеспечение безопасности, сравнимой с безопасностью в проводных сетях;

обеспечение национального и международного роуминга;

поддержка нескольких местных и международных операторов;

эффективное использование спектра частот;

пакетная и канальная коммутация;

поддержка многоуровневых сотовых структур;

взаимодействие с системами спутниковой связи;

поэтапное наращивание скорости передачи данных вплоть до 10 Мбит/с.

Несмотря на то, что конечная цель для всей индустрии телекоммуникаций -- создать единую всемирную среду мобильной связи, поддерживающую широкополосные системы и обеспечивающую глобальную мобильность, в результате, скорее всего, возникло некоторое семейство стандартов, обеспечивающее услуги третьего поколения [1].

Стандартизацией сетей 3G в настоящее время занимается Международный Союз Электросвязи (International Telecommunications Union, ITU). С этой целью была разработана группа стандартов, объединенных общим названием International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). В процессе разработки этих стандартов в рамках ITU были сформированы два независимых объединения, получившие на- звания 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и 3GPP2. В первое объединение входят ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет T1 (США), а также три региональных органа стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона -- CWTS (Китай), TTA (Корея) и TTC (Япония). В 3GPP2 -- ассоциация TIA (представленная подкомитетами TIA TR-45.3 и TIA TR-45.3) и ряд азиатских региональных организаций: ARIB, CWTS, TTA и TTC. Не углубляясь в особенности работы каждой из групп, отметим, что 3GPP разрабатывает стандарты для нижней ветви на- правлений развития, показанных на рисунке 1 (WCDMA), а 3GPP2 отвечает за стандарты направления CDMA One (IS-95)/CDMA2000, которые в настоящее время широко распространены в США.

Рисунок 2.1 - Развитие сетей мобильной связи

Основным плюсом сетей 3G является большая скорость передачи больших объемов данных по радиоканалу. Самая быстрая на сегодня в сетях 2-2,5G технология EDGE (Enhanced Data Ratesfor GSM Evolution) обеспечивает передачу данных на скорости до 473,6 Кбит/с (на практике -- вдвое-втрое ниже). В сетях третьего поколения для передачи данных используется технология HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), скорость работы которой измеряется уже мегабитами.

Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона около 2 ГГц, передавая данные со скоростью 2 Мбит/с. Они позволяют организовывать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы и т. д. 3G включает в себя 5 стандартов семейства IMT-2000 (UMTS/WCDMA, CDMA2000/IMT-MC, TD-CDMA/TD-SCDMA (собственный стандарт Китая), DECT и UWC-136)UMTS распространён в основном в Европе, CDMA2000 -- в Азии и США.

3G стандарт был разработан Международным Союзом Электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) и носит название IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Основная цель создания стандарта -- синхронизация систем третьего поколения для обеспечения глобального роуминга. Реализация сети предполагает дальнейшее слияние сотовой связи с информационными и компьютерными технологиями, радикальное обновление оборудования, и, как следствие, расширение спектра предоставляемых услуг, включая услуги высокоскоростной передачи информации, глобального роуминга и мультимедиа, независимо от местоположения абонента и скорости его передвижения. Мобильный телефон становится персональным коммуникатором, пользователь которого будет обладать практически неограниченными возможностями доступа ко всемирным информационным ресурсам, в том числе через сеть Интернет.

Для решения вопроса последней мили, т.е. организации связи с операторскими базовыми станциями, необходимы технические решения, позволяющие сохранить скорости и качество передачи информации; в противном случае теряется одна из главных идей создания нового поколения мобильной сети. Основными техническими средствами для решения этой задачи являются оптоволоконные, радиорелейные и атмосферные оптические системы. У тех и у других есть свои преимущества и недостатки.

Программа IMT-2000 базируется на ряде признаков, определяющих принципы построения систем 3-го поколения и их архитектуру. Уже на первом этапе развертывания они должны обеспечивать определенные значения скорости передачи для различных степеней мобильности абонента (т. е. разных скоростей его движения) в зависимости от величины зоны покрытия:

-до 2,048 Мбит/с при низкой мобильности (скорость менее 3 км/ч) и локальной зоне покрытия;

-до 144 кбит/с при высокой мобильности (до 120 км/ч) и широкой зоне покрытия;

-до 64 (144) кбит/с при глобальном покрытии (спутниковая связь).

Таблица 2.1 - Услуги систем 3-го поколения

Виды услуги	Скорость передачи кБит/c	Средняя длительность сообщения, с	Режим работы	Услуги
Голосовая связь	4-32	60	Коммутация каналов	Речь, голосовая почта
Низкоскоростной обмен данными	9,6-14,4	30	Коммутация пакетов	SMS, определение местоположения
Передача к коммутируемым данным(ISDN)	до 64	156	Коммутация каналов	Услуги сетей ISDN
Интерактивный обмен мультимедиа данными	128-134	144	Коммутация каналов	Видеотелефонная связь, передача изображениф и больших объёмов информации
Асимметричная передача мультимедиа данных	384-2048	14-53	Коммутация пакетов	Работа с сетями Internet и интрасетями

2.1 Стратегии перехода к 3G системам

В рамках концепции IMT-2000 допустимы две стратегии перехода к 3G-системам: постепенное (эволюционное) и "одномоментное" (революционное) (Табл. 2.2).

Таб. 2.2 - Стратегии внедрения услуг 3-го поколения мобильной связи

Определяющий фактор	Эволюционный подход	Революционный подход
Метод использования частотного ресурса	Работа в старых диапазонах	Освоение новых диапазонов
Принцип предоставления услуг	Постепенно расширяемый ассортимент услуг	Новые услуги с начала развертывания
Пропускная способность	Постепенно наращиваемая	Изначально высокая
Стратегия создания сетевой инфраструктуры	Медленный и постепенный переход от 2G к 3G по мере появления спроса на услуги	Создание опытных районов ("островков") с полным набором услуг
Технологический уровень	Новые технологии в отдельных элементах	Все технологии - новейшие
Архитектура сети	Максимальное использование существующей инфраструктуры	Новая
Коммерческий риск	Низкий	Высокий
Состав операторов	В основном те же, что и в 2G	Операторы, купившие лицензии на услуги 3G
Глобальный роуминг	С ограничениями	Без ограничений
Капитальные затраты	Незначительные	Значительные

При революционном подходе предполагается внедрение всех новейших технологий и новых интерфейсов и полная замена существующего оборудования и ПО, что сопряжено с большими капитальными затратами и определенным коммерческим риском. Для отработки данной стратегии в разных районах мира, в том числе и в России, созданы экспериментальные сети.

Один из важнейших признаков, принципиально отличающих два подхода, - способы освоения частотного ресурса. При революционном сценарии требуется новый частотный ресурс. Япония и Европа намерены пойти по этому пути и выделить для систем 3-го поколения "индивидуальные" полосы радиочастот.

В США подход абсолютно иной - там спектр, выделенный для IMT-2000, уже занят службой PCS и 3G-системы будут работать в старых полосах частот вместе с существующими сетями стандартов TDMA/AMPS.

Эволюционное внедрение требует меньших капитальных затрат и предполагает плавную замену оборудования в зависимости от спроса на конкретные виды услуг. Такой подход позволяет максимально использовать существующую инфраструктуру сети связи, внедряя новые сетевые элементы в процессе последовательной модернизации.

Естественно, что операторы систем двух наиболее массовых технологий - TDMA/AMPS и GSM - стали сторонниками эволюционного пути развития. Сегодня эти системы имеют ограниченные возможности по наращиванию пропускной способности и видам услуг в рамках выделенного частотного диапазона. Рост их емкости без дополнительного расширения радиочастотного спектра возможен лишь за счет перехода на полускоростные каналы (GSM), введения многосекторных антенн или использования спектрально-эффективных методов модуляции (8PSK и др.).

Таб. 2.3 - Характеристики радиоинтерфейсов для IMT-2000

Показатель	IMT-DS	IMT-MC	IMT-TC	IMT-SC	IMT-FT
Авторы технических спецификаций	3GPP, ARIB, ETSI	3GPP2, TIA TR-45.3	3GPP, ETSI,	3GPP2, UWCC, CWTS	ETSI TIA TR-45.3DECT EP
Базовая технология	WCDMA	cdma2000	UTRA TDD TD	UWC-136, TDMA	MC-TDMA
Метод доступа	UTRA	MC- CDMA	SCDMATDMA/ CDMA	FDD	FDD/TDD
Чиповая скорость, Мчип/с	3,84DS- CDMA	3,6884	3,84 (UTRA) 1,28 (SCDMA)	Н/д	Н/д
Скорость передачи, кбит/c	Н/д	Н/д	Н/д	384; 2048	1152; 2304; 3456
Вид модуляции	QPSK/BPSK HPSK*	QPSK/BPSK	QPSK/BPSK HPSK*	BOQAM QOQAM	GFSK; p/2-DPSK p/4-DQPSK p/8-D8PSK
Длина кадра, мс	10	5 и 20	10	4,6	10

Согласно концепции IMT-2000, система нового поколения подразделяется на две составные части: сети радиодоступа и магистральную базовую сеть. Подходы к их проектированию принципиально различны.

Эффективность сетей радиодоступа в значительной степени зависит от новизны технологий, которые в них используются. Смена поколений, как правило, означает и смену идеологии построения этих сетей. Магистральные сети более "инерционны". В них инвестированы значительные средства, которые операторы желают сохранить при переходе к 3-му поколению. Кроме того, существующие базовые сети не являются сдерживающим фактором для внедрения современных ЗG-услуг. Поэтому их инфраструктура будет развиваться эволюционным путем, опираясь на существующие сети GSM, TDMA (IS-136), IP, IN и ISDN, что подтверждают и исследования, проведенные в рамках IMT-2000.

Сегодня в качестве магистральных предполагается использовать сеть, базирующуюся на IP-технологии, а также усовершенствованные опорные сети GSM MAP и ANSI-41, которые развернуты для наиболее развитых стандартов мобильной связи 2-го поколения - европейского GSM и североамериканских TDMA (IS-136) и CDMA (IS-95). Взаимодействие между тремя магистральными сетями - GSM MAP, ANSI-41 и базовой IP-сетью - будет осуществляться через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network Interface).

Стандартный модуль идентификации пользователя UIM (UserIdentity Module) обеспечит глобальный роуминг независимо от метода радиодоступа или типа транспортной сети в том или ином географическом регионе.

В настоящее время важнее всего дать возможность всем операторам действующих сетей использовать существующую инфраструктуру при реализации набора новых услуг IMT-2000. В связи с этим МСЭ считает необходимым начать разработки единого протокола NNI, обеспечивающего глобальный роуминг в рамках 3G-систем.

Транспортная сеть должна обеспечить межсетевое взаимодействие и "прозрачность" доступа к услугам независимо от местонахождения абонентов. Чтобы реализовать это требование на практике, предусматривается создание специального конвертора, или шлюза, IWG (Interwoking Gateway), который и будет поддерживать глобальный роуминг при любом протоколе радиодоступа.

Сегодня уже очевидно, что окончательному внедрению систем 3-го поколения будет предшествовать очень продолжительный период их совместного существования с системами 2-го поколения. Благодаря различиям в наборе и стоимости предоставляемых услуг новые технологии будут не конкурировать со старыми, а дополнять их.

2.2 Архитектура сети радиодоступа

Схема структуры сети 3G (UMTS): Разделяют сеть радиодоступа и базовую сеть, которые группируются по своим функциям. Сети радиодоступа - RAN и UTRAN (UMTS территориального уровня) - оперируют теми функциями, которые относятся к радиосвязи, а базовая сеть CoreNetwork или CN занимается обеспечиванием коммутации и маршрутизации вызовов и каналов, которые передают данные во внешние сети. Для завершения системы определяют взаимодействующее с ней оборудование пользователя - User Equipment (UE) и его радиоинтерфейс - UMTS airinterface или Uu. Интересной архитектурной особенностью UMTS является то, что внутри элементов сети подробно определяются не функции, а интерфейсы между раздельными логическими элементами. Так как в конечных точках оборудование поставляется разными изготовителями, существует требование, согласно которому интерфейс должен быть "открытым" для определения на уровне соответствующей детализации. Такими открытыми интерфейсами в 3G являются: Интерфейс Cu - электрический интерфейс, связывающий интеллектуальную плату (смарт-карточка) USIM (модуль идентификации абонента в сети UMTS) и ME, и удовлетворяющий формат по стандарту для смарт-карточек. Интерфейс Uu - является радиоинтерфейсом WCDMA. Через него UE имеет возможность доступа к стационарной части системы. Предполагается, что изготовлять UE будут гораздо больше производителей, нежели тех, кто будет производить элементы стационарной сети. Интерфейс Iu соединяет UTRAN с CN. Как и аналогичные интерфейсы в GSM - A, выполняющий коммутацию каналов и Gb, коммутирующий пакеты, интерфейс Iu благодаря своей открытости позволит операторам UMTS приобретать UTRAN и CN у разных фирм-производителей, так как именно созданная конкуренции обусловила успех GSM. Открытым интерфейсом Iur осуществляется мягкий режим передачи телефона "из рук в руки" - от одной базовой станции к другой, в тех случаях, когда он покидает зону действия одной из баз между RNCs разных призводителей, дополняя таким образом интерфейс Iu. Интерфейс Iub обеспечивает соединение узлов B и RNC. Таким образом, UMTS - это первая коммерческая система мобильной телефонной связи, в которой интерфейс контроллер-базовой станции имеет полностью открытый стандарт. Благодаря своей открытости, Iub-интерфейс, как и другие открытые интерфейсы, способствует конкуренции производителей, выпускающих сетевое оборудование. А это также вызывает появление и новых производителей, выпускающих в основном узлы В.

Рис. 2.2 - Схема структуры сети 3G (UMTS)

По своим функциям элементы сети группируются в сеть радиодоступа (RAN, UMTS территориального уровня = UTRAN), которая оперирует всеми функциями, относящимися к радиосвязи, и в базовую сеть (CN), которая обеспечивает коммутацию и маршрутизацию вызовов и каналы передачи данных во внешние сети. Чтобы завершить систему, определяются оборудование пользователя (UE), которое взаимодействует с ним, и радиоинтерфейс (Uu).

С точки зрения спецификации и стандартизации, как UE, так и UTRAN содержат полностью новые протоколы, построение которых основано на потребностях новой технологии радиосвязи WCDMA. И наоборот, построение CN взято из GSM. Это дает системе с новой технологией радиосвязи глобальную базу из известной и испытанной технологии CN, что способствует ускорению ее внедрения и позволяет использовать такое замечательное преимущество, как глобальный роуминг.

Возможность иметь несколько объектов одного и того же типа позволяет делить систему UMTS на подсети, работающие либо самостоятельно, либо вместе с другими подсетями, и которые являются тождественными друг другу. Такая сеть называется UMTSPLMN (наземная мобильная сеть общего пользования). Обычно одна PLMN эксплуатируется одним оператором и соединяется с другими PLMNsтакже, как и с другими типами сетей, например, ISDN, PSTN, Интернет и т.д.

Рис. 2.3 - Элементы сети в PLMN

UE состоит из двух частей:

Подвижное оборудование (ME) - радиотерминал, используемый для радиосвязи через интерфейс Uu.

Модуль идентификации абонента UMTS (USIM), представляющий собой интеллектуальную плату, которая служит идентификатором абонента, выполняет алгоритм аутентификации и шифрования и некоторые данные об услугах, которыми имеет право пользоваться абонент, необходимые при пользовании терминалом.

UTRAN также состоит из двух элементов:

Узел B преобразует поток данных между интерфейсами Iub и Uu. Он также участвует в управлении радиоресурсами.

Контроллер радиосети (RNC) владеет и управляет радиоресурсами в своей области (к ней подключены узлы B). RNС представляет собой точку доступа к сервису для всех услуг, которые UTRAN предоставляет CN, например, управление соединениями с UE.

Основными элементами базовой сети GSM являются следующие:

HLR (регистр домашнего местонахождения, по месту регистрации) - это база данных, помещаемая в домашнюю систему абонента, которая хранит в памяти основной экземпляр профиля обслуживания абонента. Профиль обслуживания содержит, например, информацию о предоставляемых ему услугах, запрещенных районов роуминга и дополнительную сервисную информацию, например, о возможности переключения телефонного вызова и номера телефона, на который производится переадресация. Профиль обслуживания создается, когда новый абонент прописывается в системе, и остается в памяти до тех пор, пока сохраняется эта прописка. Для маршрутизации входящих сообщений к UE (т.е. вызовов или коротких сообщений) HLR также записывает данные о местоположении UE на уровне MSC/VLR (узла по обеспечению услуг и/или SGSN), т. е. на уровне системы обслуживания.

MSC/VLR - это коммутатор (MSC) и база данных (VLR), которые предоставляют услуги по текущему местоположению UE по коммутации каналов (CS). Функция MSC используется для коммутации сообщений CS, и функция VLR сохраняет экземпляр профиля обслуживания гостевого пользователя, а также более точную информацию о местоположении UE в системе обслуживания. Часть сети, к которой обеспечивается доступ через MSC/VLR, часто называют областью обслуживания CS.

GMSC (шлюзовой MSC) - это коммутатор в точке, где UMTSPLMN соединяются с внешними сетями CS. Все входящие и исходящие соединения CS проходят через GMSC.

Функции SGSN (узла по обеспечению услуг GPRS) подобны функциям MSC/VLR, но обычно используются для услуг с коммутацией пакетов (PS). Часть сети, к которой обеспечивается доступ через MSC/VLR, часто называют областью обслуживания CS.

GGSN (узел по обеспечению межсетевого перехода GPRS) функционально близок к GMSC, но связан с предоставлением услуг PS.

Внешние сети можно разделить на две группы:

Сети CS. Они обеспечивают соединения с коммутацией каналов, как это имеет место в существующей в настоящее время телефонной связи.

Сети PS. Они обеспечивают соединения с коммутацией пакетов данных. Одним из примеров сети PS служит Интернет.

Стандарты UMTS построены таким образом, что функции внутри элементов сети подробно не определяются. Вместо этого определены интерфейсы между логическими элементами сети. Определены следующие основные открытые интерфейсы:

Интерфейс Cu. Это электрический интерфейс между интеллектуальной платой (смарт-карточкой) USIM (модуля идентификации абонента сети UMTS) и ME. Интерфейс удовлетворяет формату стандарта для смарт-карточек.

...