Телекомунікаційні системи та мережі. Том 1. Структура й основні функції.  /  Зміст  /  Розділ 1. Основи побудови телекомунікаційних систем  /  Тема 1.4. Стисла характеристика існуючих телекомунікаційних технологій

Зміст:

1.4.3. Стандарти мобільного зв’язку

Стандарт NMT. Бажання зробити зв’язок повсюдним і доступним — причина, що породила створення й еволюцію стільникового зв’язку. Першу спробу реалізувати мобільну телефонію було зроблено в 1946 р. в американському місті Сент-Луїсі. Тоді був створений простий шестиканальний прийомо-передавач. Тільки через 24 роки вчені знову взялися за розробку «безпроводової» телефонії. Принципи побудови і роботи стільникової мережі були чітко визначені в 1975 р. Результатом 10-річної роботи став стандарт NMT (Nordic mobile telephone), який був призначений для роботи в діапазоні 453,0…457,5 МГц і мав 180 каналів зв’язку з шириною смуги 25 КГц. У 1978 р. Данією, Фінляндією, Ісландією, Норвегією і Швецією NMT був уведений як стандарт.

Дещо пізніше з’явилася модифікація NMT-900, яка працювала на частоті 900 Мгц і мала низку переваг перед першим стандартом NMT-450. Зокрема, з’явилася можливість створювати малогабаритні мобільні телефони і підвищилася якість зв’язку.

До початку 80-х років були створені телефонні апарати, що дозволяли за допомогою прийомо-передавальних баз-посередників (базових станцій) здійснювати дзвінки на інші телефони. Ці пристрої належать до першого покоління стільникового зв’язку, або, як його ще називають скорочено, 1G. Максимальна швидкість передавання голосу складала 9,6 кбіт/с, а швидкість передавання даних становила 1,9 кбіт/с. На західному ринку стандарт NMT був представлений декілька іншими стандартами (AMPS — Advanced Mobile Phone Service) і TACS (Total Access Communications System). Недоліками аналогового стандарту NMT є високий рівень випромінювання, чутливість до інтерференції сигналу і низький рівень забезпечення конфіденційності даних, що передаються.

Розв’язати проблеми стільникового зв’язку першого покоління був покликаний стандарт 2G, розробкою якого зайнялися ще до публічного впровадження мереж NMT. На рис. 1.4.10 подано структурну схему типової мережі стільникового зв’язку стандарту NМТ-450.

Рис. 1.4.10. Структурна схема типової мережі стільникового зв’язку стандарту NМТ-450

Базові станції з’єднані з телефонною мережею загального користування (ТмЗК) через центри комутації рухомого зв’язку (ЦКРЗ). ЦКРЗ є інтерфейсом між базовими станціями і ТМЗК. Сукупність базових станцій, які з’єднані з одним і тим самим ЦКРЗ і обслуговуються ним, утворюють зону обслуговування ЦКРЗ. Уся територія (регіон), на якій організовується стільниковий зв’язок, поділяється на зони обслуговування. ЦКРЗ кожної з цих зон обслуговування зв’язуються один з одним міжміськими каналами, що дозволяє організувати роумінг.

Стандарт GSM. У 1982 р. було сформовано групу Groupe Special Mobile або скорочено GSM, за мету якій ставилося розробити надійну і просту систему наземного мобільного зв’язку. Система повинна була надавати високу якість звукових даних, що передаються, простоту побудови й обслуговування стільникової мережі, підтримку роботи з портативними пристроями, такими як PDA, ноутбуки й інші, можливість реалізації не тільки локального, але й міжнародного роумінгу, відкритість для розробки нових сервісів, сумісність із системами стандарту ISDN й ефективне використання радіоефіру.

Право продовжити розробку стандарту було покладене на Європейський інститут телекомунікаційних стандартів. У середині 1990 р. були представлені специфікації стандарту GSM-900, який вже розшифровувався як Global System for Mobile telecommunications. У майбутньому з’явився еволюційний стандарт GSM-1800, який використовував частоту 1800 МГц. Збільшення частоти радіосигналу вдвічі дозволило збільшити щільність абонентської бази в 4 рази.

GSM-900 накладає деякі обмеження на віддаленість мобільного телефону від базової станції, яка не може перевищувати 35 км навіть при достатній потужності сигналу. Це пов’язано з відбракуванням пакетів із простроченим часом життя. У стандарту GSM-1800 зона покриття ще менше: близько 6—10 км. NMT не має подібних обмежень і в ідеальних умовах зв’язок може бути здійснено і на відстані 200 км (перевірено на досвіді). Слід зазначити ще і тому факті, що зменшення покриття вдвічі дозволяє збільшити щільність абонентських станцій в таку саму кількість разів.

Унікальністю стандарту GSM є саме те, що в ньому вперше використано цифрову стільникову систему, на відміну від уже існуючих аналогових. Практичне його застосування розпочалося в 1991 р. Швидкість передавання даних у мережі підвищилася з 1,9 кбіт/с до 14 кбіт/с, що дозволило використовувати мобільний телефон, який на той час уже можна було назвати таким, модем або факс, а також згодом користуватися й WAP-сервісами.

Спочатку в GSM було закладено високу гнучкість щодо кількості та спектра сервісів, що надаються. Саме з приходом нового стандарту з’явився сервіс коротких повідомлень, або SMS. Послуга дозволила обмінюватися текстовими повідомленнями завдовжки до 160 символів. На основі протоколу SMS з’явився так званий broadcasting — розсилання новин або іншої необхідної інформації всім абонентам мережі. Додаткової гнучкості додало використовування SIM-карт (Subscriber Identity Module), що дозволило прив’язати до мережі не сам телефонний апарат, а невеликий модуль, що містить міжнародний ідентифікатор користувача мобільних послуг.

На рис. 1.4.11 подано структурну схему та склад обладнання системи GSM.

Рис. 1.4.11. Структурна схема та склад обладнання системи GSM:
MSC — центр комутації рухомого зв’язку (ЦКРЗ); BSS — обладнання БС; BSC — контролер БС; BTS — базова станція (БС);
MS — абонентська станція (АС); VLR — регістр переміщення АС; HLR — регістр положення АС; AUC — центр автентифікації;
EIR — центр ідентифікації; VMS — служба обміну мовленнєвими повідомленнями; SMS — служби обміну короткими та циркулярними повідомленнями; OMC — центр управління й обслуговування; NMC — центр управління мережею рухомого зв’язку

Центр комутації обслуговує групу базових станцій (БС) і забезпечує взаємодію з іншими мережами, забезпечує управління вхідних і вихідних сигналів з естафетною передачею. Перемикання може бути при виході з ладу (зайнятості) каналу. ЦКРЗ здійснює стеження за абонентською станцією (АС), використовуючи регістри HLR і VLR. У HLR зберігається інформація для організації з’єднань «своїх» абонентів:

  • зона поточного місцеположення АС,
  • наявність дозволу доступу (статус).

У HLR зберігається міжнародний ідентифікаційний код АС. Цей код використовується для впізнання абонента в AUC. У VLR зберігається інформація про своїх і візитних АС у зоні обслуговування центру комутації. При вході АС у зону ЦКРЗ вона реєструється в VLR. З VLR інформація передається в HLR. АС одержує з HLR дозвіл на доступ (статус) і ідентифікаційні дані: міжнародний номер і персональний код. AUC формує ключі й алгоритм автентифікації. Перевіряються повноваження АС і здійснюється доступ до мережі. AUC ухвалює рішення про параметри процесу автентифікації і визначає ключі шифрування АС на основі даних з регістра EIR. HLR, VLR, AUC — спеціалізовані бази даних. AUC може бути спільним для декількох ЦК. EIR зберігає і збирає інформацію про обладнання кожної АС для перевірки його відповідності необхідним параметрам. EIR не ідентифікує і не допускає в роботу несправні АС.

Особливість мережі: БС кластера об’єднані в систему BSS. У системі БС об’єднуються з контролерами BSC з використанням певної топології мережі. Кожна БС обслуговує декілька секторів. Контролер (комутаційна станція) забезпечує взаємне з’єднання АС усередині кластера і через ЦК — з іншими абонентами іншого кластера. Служба VMS («поштова скринька») забезпечує роботу автовідповідача. Служба SMS передає короткі циркулярні повідомлення.

Стандарт СDMA. Стандарт CDMA (Code Division Multiple Access) можна назвати прямим конкурентом TDMA. Принцип, за яким передається сигнал у цьому типі мереж, належить до військових технологій і використовується у військових супутниках. Уперше мережі CDMA з’явилися в Сполучених Штатах буквально на декілька місяців пізніше TDMA, і дотепер його модифікації існують і модернізуються. Підвищена місткість мережі і легкість побудови зумовили швидке поширення стандарту, і вже до 2003 р. кількість його користувачів склала понад 150 млн.

Принцип роботи CDMA дозволяє уникнути явища інтерференції, підвищити кількість одночасно обслуговуваних абонентів і захистити інформацію, що передається. Під час дзвінка інформація в закодованому вигляді від телефону передається відразу на декілька доступних базових станцій, що дозволяє вибрати «найправильніший» пакет, що прийшов. Окрім того, сигнал, що передається, поширений у частотно-часовому просторі, на відміну від інших радіотехнологій, де вся потужність сигналу концентрується на вибраних частотах або часових інтервалах. Фактично в ефірі буде чутний тільки шум, з якого вкрай складно виділити корисний сигнал, що додає цій технології високий рівень захисту від прослуховування. Швидкість передавання даних в цьому типі мереж варіюється від 9,6 кбіт/с до 1,23 Мбіт/с.

Технологія CDMA практично не має недоліків, забезпечує високу надійність передавання даних і голосу, необхідний рівень захисту даних і безшовне перемикання між базовими станціями. Принципи мереж CDMA широко використовуються в технологіях мереж третього покоління.

Технології 2.5G. Прихід на ринок мереж другого покоління і необхідність мобільного доступу в мережу Інтернет зумовили розвиток стільникового зв’язку в напрямі збільшення швидкості передавання даних. Ще в 1985 р. почалася розробка сімейства стандартів 2.5G, які, по суті, є надбудовою для мереж другого покоління. Cтандарт 2.5G відомий під абревіатурою GPRS (general packet radio system), EDGE (enhanced data for global evolution), 1xRTT (2.5G CDMA data service). Максимальна швидкість передавання даних, яку дозволяють досягти ці стандарти, складає 384 кбіт/с.

Технологія GPRS дозволяє одночасно розмовляти по телефону і передавати дані завдяки ефективнішому використанню радіосмуги і новим способам кодування. Ще однією особливістю сервісу стала відсутність необхідності кожного разу додзвонюватися до провайдера. Телефон завжди перебуває в режимі онлайн, але передає дані тільки тоді, коли це потрібно. Ця схема роботи дозволяє обслуговувати одночасно набагато більше клієнтів, ніж у разі використання GSM мереж другого покоління.

Як у будь-якої системи, у GPRS є свої недоліки:

  1. Максимальна теоретична швидкість, якої може досягти GPRS-з’єднання, складає 172,2 кбіт/с. Реальна швидкість рідко підіймається вище 48—50 кбіт/с, що пов’язано з надмірністю передаваних даних, яка забезпечує захист від помилок і містить управляючу інформацію.
  2. GPRS використовує неефективну на сьогодні технологію модуляції GMSK (Gaussian minimum-shift keying). Сучасніший сервіс EDGE використовує досконалішу технологію 8 PSK (eight-phase-shift keying), що дозволяє досягти вищих швидкостей передавання даних.

Основною ж перевагою сімейства 2.5G є можливість розробляти й упроваджувати абсолютно нові мережні сервіси, робота яких була б просто неможливою в попередньому поколінні стандартів. Середньої для GPRS швидкості в 48 кбіт/с цілком може вистачити для спілкування за допомогою IRC або IM-клієнта, що на практиці виявляється набагато зручніше, ніж обмінюватися SMS, інтернет-серфінгу за допомогою веб-браузерів і навіть для онлайн-відео- або радіомовлення. Однак головне, що дозволили здійснити мережі 2.5G, — покласти початок процесу об’єднання Інтернету і стільникових мереж.

Технології 3G, 3.5G. Значні потреби в широкосмуговому доступі до мережі Інтернет породили подальший розвиток стільникового зв’язку. У результаті розробки мереж 3G і 3.5G з’явилося декілька різних стандартів: CDMA (Code Division Multiple Access) 2000, UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) і WCDMA (Wide CDMA). Інша офіційна назва мереж третього покоління — IMT-2000.

Сімейство стандартів повинно було забезпечити високу швидкість симетричного й асиметричного передавання даних усередині мережі, підтримку пакетної і канальної модуляції для інтеграції з IP-мережами, компактність і ефективність використовування наданого спектра, можливість глобального роумінгу.

У характеристиках стандартів сімейства 3G існує поділ за швидкістю передавання даних при різних станах рухливості абонента (табл. 1.4.7):

Таблиця 1.4.7 Поділ за швидкістю передавання даних при різних станах рухливості абонента

Умова
Швидкість
Швидкість пересування менше 3 км/год
до 2,048 Mбіт/с
Швидкість пересування менше 120 км/год
до 144 кбіт/с
Глобальне супутникове покриття
до 64 (144) кбіт/с

Створення мереж третього покоління дозволило розробляти інноваційні сервіси, упровадження яких у мережах 2 і 2.5G було просто неможливе внаслідок низької пропускної здатності радіоканалу.

До таких сервісів належать:

  • відеодзвінки;
  • відеоконференції;
  • мобільний і швидкий доступ до мережі Інтернет;
  • потокове віщання (streaming);
  • мобільне телебачення;
  • дзвінки з поліпшеною якістю передаваних аудіоданих;
  • новий виток розвитку мобільної електронної комерції;
  • мобільний зв’язок працівників із корпоративними мережами;
  • можливість надання інтернет-сервісів користувачам мобільного стільникового зв’язку.

Ефективність мереж третього покоління доведено високим попитом у країнах, де вони поширені. При невисокій собівартості обладнання абонент може дістати доступ в Інтернет на швидкості до 2 Mбіт/с, можливість користуватися відеодзвінками і дивитися улюблений телеканал у вільний час. Однією з цілей, поставлених перед мережами 3G, є створення глобального покриття, коли абонент перебуватиме в зоні покриття в будь-якій точці Землі.

Значну роль у швидкому розвитку мереж 3G відіграли виробники мобільних телефонів, які стали вбудовувати в телефони стандартів 2G можливість роботи з технологіями UMTS, CDMA2000, WCDMA. Таким чином, купуючи звичайний телефон бізнес-класу, людина діставала можливість роботи в мережах як другого, так і третього покоління. Такий підхід прискорює перехід від 3G до 4G. На сьогодні значного поширення мережі 3G набули в країнах Східної Азії і Америки. Нині розвинені європейські країни вже надають послуги зв’язку за допомогою технологій третього покоління, проте їх ціна все ще залишає бажати кращого.

В очікуванні появи на ринку мереж 4G удосконалюються існуючі стандарти 3G. Tехнологія HSPDA, яка належить до покоління 3.5G, дозволить приймати дані з супутника зі швидкістю до 14 Mбіт/с; а до кінця року планується поява обладнання, здатного збільшити цю швидкість до 100 Mбіт/с. На сьогодні багато операторів стільникового зв’язку вже побудували і запустили в тестовому режимі мережі HSPDA. Слід відзначити, що через свою гнучкість ця технологія не покине ринок ще років 5—6 до масового впровадження стільникового зв’язку четвертого покоління.

Tехнології 4G. Розвиток мережі Інтернет, кількості та якості інтерактивних сервісів передбачає одночасне розширення каналів зв’язку, які пов’язують користувача зі всесвітньою павутиною. Тепер, коли швидкості передавання даних модно вимірювати мегабайтами і гігабайтами за секунду, колишні технології відходять в історію і на зміну їм приходять нові, які дозволяють зв’язати всі пристрої воєдино й управляти ними централізовано. Такі сервіси, як онлайн-мовлення популярних теле- і радіоканалів, VoIP-телефонія стають усе більш звичними і доступними користувачеві. Незважаючи на те, що кількість користувачів широкосмугового доступу до мережі Інтернет все ще складає невеликий відсоток від загалу, проте їх кількість постійно зростає.

Розроблені технології передавання даних для мереж 3G уже в певних випадках не можуть розв’язати поставлені перед ними завдання. І якщо для звичайного користувача затримки в передаванні даних можуть не відігравати вирішальної ролі, то для бізнес-аплікацій затримка на секунду може коштувати тисяч або навіть мільйонів доларів. У таких ситуаціях технологій UMTS, CDMA2000 і WCDMA виявляється недостатньо для таких потреб. Використання ж стандарту 802.11 а/b/g, який певною мірою міг би поліпшити ситуацію, обмежено декількома показниками, основною з яких є відстань до точки доступу.

Однією з основних цілей, які враховувалися під час розробки сімейства стандартів 4G, є об’єднання всіх видів комунікацій в одну структуру, схему якої можна спостерігати на рис. 1.4.12.

Рис. 1.4.12. Схема інтеграції мереж

Мережі Wi-Fi, 3G, супутникове відео- й аудіомовлення, мережі Wi-MAX і мережі четвертого покоління взаємодіятимуть через комплекс пристроїв, названий Internet Gateway Router, завданням якого є створення середовища для прозорого використання всіх названих вище технологій і зв’язку мереж Інтернету з наземними телефонними лініями. Це дозволить використовувати доступні за вартістю вже існюючі в ІР-мережі технології для передавання великих обсягів даних, що, поза сумнівом, має позначитися на вартості обслуговування стільникових мереж.

На шляху розробки 4G було декілька перешкод, які полягали в пошуку нових ефективних способів використовування радіоефіру, алгоритмів стиснення і передачі даних. Слід відзначити, що спочатку стільникові мережі були призначені для передавання голосу, тому простим підвищенням потужностей обладнання вагомих результатів добитися було неможливо. Основними нововведеннями в стільниковому зв’язку четвертого покоління є: технологія ущільнення з ортогональним частотним розділенням кодованих сигналів і використанням змінного чинника поширення (Variable-Spreading-factor Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing, VSF-Spread OFDM), а також система множинного введення/виведення (Multiple Input Multiple Output, MIMO). Технологія VSF-Spread OFDM дозволяє використовувати одночасно декілька частотних діапазонів, що дозволяє збільшити пропускну здатність каналу в декілька разів. Технологія MIMO дозволяє передавати інформацію відразу декількома маршрутами від або до базових станцій.

На сьогодні явним конкурентом мереж 4G є розроблений стандарт безпроводового передавання даних WiMAX або, як його ще називають, IEEE 802.16. Радіус покриття однієї базової станції технології WiMAX в місті складає в середньому 4 км. На цій території можуть проживати приблизно 180—240 тис. осіб. Якщо видати кожному користувачеві канал завширшки в 1 Mбiт/с, то максимальна кількість одночасно обслуговуваних клієнтів складатиме приблизно 1900 осіб з 240 тис. У деяких регіонах до реалізації WiMAX існували мережі, називані pre-WiMax, які через високу вартість маловідомого абонентського обладнання так і не стали популярними.

У такій ситуації мережі третього і четвертого покоління для звичайного користувача мають набагато привабливіший вигляд. Незважаючи на те, що пропоновані сервіси UMTS,WCDMA і CDMA 2000 дозволяють розвинути швидкості лише до 2 Mбіт/с порівняно з конкурентом WiMAX, її в більшості випадків виявляється достатньо для зручного серфінгу в мережі Інтернет і доступу до сервісів, що надаються на сьогодні. Реалізація й упровадження мереж четвертого покоління дозволить передавати дані у декілька разів швидше, ніж це можна робити зараз. Наприклад, при тестуванні компанією NTT DoCoMo першої мережі 4G пропускна здатність каналу зв’язку склала 1 Гбіт/с при статичному стані абонента. Така швидкість пояснюється тим, що в мережах четвертого покоління використовується тільки ефективне пакетне передавання даних на відміну від існуючого зараз пакетного передавання, суміщеного з передаванням голосового трафіка. Це дозволило відмовитися від «гальмуючих» технологій і замінити їх продуктивнішими, залишивши і поліпшивши при цьому їх функціональність.

За останніми даними, при тестуванні 4G мережі була досягнута швидкість 1 Гбіт/с до абонента при швидкості пересування до 20 км/год, що є украй високим показником для існуючих технологій.