Описание стандартов связи 1 G и 2 G — подробный разбор архитектуры сети GSM

При пользовании мобильным телефоном, мало кто задумывается о том, как в нем происходят звонки и откуда появляется интернет. На самом деле, всё не на столько просто, как можно подумать. Существуют специализированные стандарты сотовой связи – это обобщающее обозначение для всех технологий, которые применяются при создании мобильной связи. Часть из этих стандартов схожа друг с другом. Стандарты создаются похожим путем и имеют практически одинаковые характеристики. На основании параметров все стандарты разделены по группам, называющимся поколениями. Отсюда и происходят известные всем обозначения 1G, 2G, 3G и 4G. Буква G в данном случае является сокращением от английского слова generation – поколение. Также Вы узнаете, как развивалась сотовая связь, и какие кардинальные различия существуют между ее поколениями.

GSM История возникновения стандарта

Название GSM первоначально было аббревиатурой группы, которая вела разработку этого стандарта. Позже ее значение было интерпретировано в нужном ключе и стало обозначать Глобальную систему для мобильной связи. В 1982 году стартовало создание GSM. Оно велось коалицией из 26 Европейских компаний, предоставлявших услуги связи. Цель состояла в том, чтобы объединить все европейские страны с единым стандартом связи, который будет работать на 900 мегагерц. Спустя 7 лет ETSI продолжил работу над развитием GSM. Стандарт начал полноценно работать только в середине 1991 года. При этом он наголову обходил ближайших конкурентов, таких как североамериканский PCS. После этого усовершенствование стандарта проводилось в 1993 году. После производились лишь улучшения текущей версии.

Что такое WCDMA

Сотовая связь WCDMA, которая является аббревиатурой для широкополосного многопользовательского доступа с кодовым делением каналов или широкополосного CDMA, является стандартом мобильного телефона, который объединяет CDMA и GSM для создания совершенно новой системы.

Это один из самых важных атрибутов, когда речь идет о мобильной сети третьего поколения (технология мобильных телефонов 3G). Несмотря на то, что термин WCDMA часто используется взаимозаменяемо с UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems), это технически некорректно, поскольку WCDMA является всего лишь примером UMTS

Теле2 4G — зона покрытия, тарифы и скорость интернета

Первое поколение мобильной связи (1G)

Данное поколение использовало в своей работе аналоговые стандарты, которые внедрялись в течение 1980-х годов. Впоследствии они были заменены цифровой технологией 2G, по всем параметрам превосходившей первое поколение. Принципиальное отличие между ними – возможность пользоваться СМС и шифровать звонки: только цифровой стандарт может позволить сделать это. Всего 1G поддерживал более 10 стандартов. Самые известные из них: NMT, AMPS, TACS, C-450, RtMI. Все они использовались отдельно, в зависимости от региона применения. Скорость загрузки при использовании 1G не превышала 5,6 килобайт в секунду, что является просто смешным по сегодняшним меркам.

Голосовые кодеки GSM

GSM использует голосовые кодеки, чтобы соответствовать 3,1 кГц аудио в максимальной скорости передачи данных в полосах частот GSM. Исходными кодеками, используемыми стандартом GSM, были Full Rate (13 кбит / с) и Half Rate (6,5 кбит / с). Каждый из них использовал систему, основанную на LPC (линейное предсказательное кодирование). Эти кодеки помогли довести максимальную эффективность до битрейта, а также сделали возможным приоритет и защиту более важных компонентов передаваемого аудиосигнала.

В 1997 году был опубликован и внедрен кодек EFR в стандарте GSM. EFR предоставил GSM-сеть 12,2 тыс. / секунду и использовал полноскоростной канал. Как только UMTS была разработана, EFR превратилась в AMR-Narrowband CODEC, который более устойчив к помехам и считается более качественным, чем устаревшие GSM-кодеки.

Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи

Основные аналоговые сети использовали в своей работе частоты 450, 800 и 900 мегагерц. Radiocom 2000, стандарт, использовавшийся во Франции, выделяется из этого ряда: он применял диапазоны 170, 200 и 400 МГц.

Все аналоговые стандарты использовали частотную модуляцию для передачи исходных данных. Подвижная станция для работы по этим стандартам должна была иметь относительно высокую мощность — от трех до пяти ватт. Главный недостаток данных стандартов кроется в их низкой ёмкости, появляющейся из-за неполной экономичности использования выделенной полосы, работающей на частоте 12,5-30 килогерц. Это влекло за собой высокие потери эффективности и завышенное энергопотребление.

Какие еще есть режимы сети

Выделяют еще несколько режимов сети:

1. TDMA (множественный доступ с временным разделением). Это способ доступа к каналу для общедоступных сетей. Он дает возможность нескольким людям одновременно применять один и тот же частотный канал, разбивая сигнал на различные временные отрезки. Пользователи отправляют данные с быстрой последовательностью, друг за другом, используя при этом свой собственный временной отрезок. Это позволяет нескольким станциям вместе применять одну и ту же среду отправки (например, радиочастотный канал), применяя лишь часть пропускной способности канала. TDMA применяется в цифровых мобильных системах 2G сотовой связи, таких как GSM, PDC и стандарт iDEN.
2. EVDO (Evolution-Data Optimized or Evolution-Data Only). Это стандарт телекоммуникаций для беспроводной пересылки пакетов данных через радиосигналы, как правило, для широкополосного доступа в Интернет. Он использует методы мультиплексирования, включая множественный доступ с кодовым делением каналов (CDMA), а также мультиплексирование с временным разделением (TDM), чтобы максимизировать пропускную способность отдельных пользователей и общую пропускную способность системы. Стандарт был принят многими поставщиками услуг мобильной связи по всему миру, особенно теми, которые ранее использовали сети CDMA. EVDO был разработан как эволюция стандарта CDA2000, который будет поддерживать высокие скорости передачи данных, и может быть развернут рядом с голосовыми службами оператора беспроводной связи.
3. UMTS (универсальная система мобильной связи). Это мобильный стандарт третьего поколения. Работает с базированными на GSM сетями. Созданный 3GPP (проект партнерства 3-го поколения), ЮМТС относится к стандартному набору международного стандарта IMT-2000. По часто сравнивают с режимом CDMA2000, разработанным для сетей, работающих на конкурирующей технологии cdmaOne. ЮМТС применяет широкополосную технологию с многопользовательским доступом с кодовым делением каналов (W-CDMA) для гарантии большей спектральной эффективности и пропускной способности для операторов мобильной сети.
4. HSPA+, или расширенный высокоскоростной пакетный доступ. HSPA или HSPA + — это технический стандарт для беспроводной широкополосной связи. HSPA+ расширяет широко распространенные 3G-сети на основе WCDMA с более высокой скоростью для конечного пользователя, которые сопоставимы с более новыми сетями LTE. HSPA+ был впервые определен в техническом стандарте 3GPP версии 7 и расширен дальше в последующих выпусках. HSPA+ обеспечивает эволюцию высокоскоростного пакетного доступа и обеспечивает скорость передачи данных до 168 мегабит в секунду (Мбит/с) на мобильное устройство и 22 Мбит/с от мобильного устройства.
5. LTE «Долгосрочная эволюция». Это общепринятый стандарт беспроводной связи 4G. Все американские провайдеры используют его. В то время как большинство телефонов в 2021 году используют LTE для передачи данных, девайсы американского производителя Sprint по-прежнему используют CDMA для всех голосовых вызовов, а Verizon по-прежнему имеет сетевой список для телефонов, которые будут работать в своей сети.

Частоты и диапазоны LTE в России

Второе поколение мобильной связи (2G)

Введение новых стандартов, которые сформировали второе поколение мобильной связи, было обусловлено невозможностью усовершенствования аналоговых стандартов в цифровой. Фактически 2G начал свою работу в Европе в 1991 году, а к 1993 году в 22 странах были уже созданы 36 сетей GSM. Японский эквивалент базовых стандартов был введен в 1994 году. При этом производилось постоянное внутреннее улучшение технологий для избавления от недочетов появившихся стандартов. Внедрение 2G способствовало существенному ускорению передачи данных и возможность общаться посредством кратких текстовых сообщений.

Как работает служба безопасности GSM?

Стандарт GSM был разработан с учетом безопасности с самого начала. Сеть была создана с возможностью аутентификации подписчиков с использованием предварительно открытого ключа и методологии ответа на запрос. В GSM связь между мобильной телефонной трубкой и базовой станцией также может быть зашифрована. С развитием UMTS существует также дополнительный USIM (Universal Subscriber Identity Module), который обеспечивает более длительный ключ аутентификации, чтобы обеспечить повышенную безопасность, а также обеспечивает аутентификацию базовой станции для защиты пользователя от подмены.

Существует несколько криптографических алгоритмов, используемых GSM для обеспечения безопасности сети. Шифраторы A5 / 1, A5 / 2 и A5 / 3 подаются взысканием за конфиденциальность голоса в эфире, причем A5 / 1 является более сильным алгоритмом, используемым в Европе и США. GSM поддерживает использование нескольких алгоритмов шифрования, поэтому алгоритмы могут быть изменены сетевыми операторами по мере появления более сильных. Проблемы безопасности GSM, такие как кража услуг, конфиденциальность и юридический перехват, продолжают вызывать значительный интерес у сообщества GSM. Болнее детальную информацию о безопасности GSM можно найти на портале безопасности GSM.

Цифровые стандарты сотовой связи 2-го поколения

При переходе на 2G существовало два основных стандарта для систем сотовой связи – уже упоминавшийся GSM, применявшийся на территории Европы и D-AMPS, получивший большое распространение в Северной Америке. Они разрабатывались независимо друг от друга. Историю формирования GSM вы уже знаете, остановимся на D-AMPS. Работа над его созданием началась, когда стал очевидным тот факт, что существующий аналоговый стандарт AMPS невозможно полностью заменить цифровым из-за широты его применения. Но вскоре, нашли способ создания аналого-цифровой системы, которая способна обеспечить работу обеих систем в одном и том же диапазоне частот. В 1988 году была начата работа над данным стандартом, и в 1992 году была завершена. Помимо названия D-AMPS вам может повстречаться аббревиатура IS-54, расшифровывающаяся как «промежуточный стандарт».

Переходный период (2,5G)

С течением времени развивались технологии, вместе с этим стала необходимой передача данных между пользователями сотовых телефонов с значительно большей скоростью. Впоследствии был создан GPRS – пакетный радиоприемник общего использования. GPRS является своего рода дополнением к стандарту GSM, которая позволяет использовать пакетную передачу данных в сети этого стандарта. Плата за пользование GPRS взимается за распакованный объем трафика, а не за время использования. Следующей ступенью развития GPRS стал EDGE. Аббревиатура буквально обозначает расширение возможностей для произведения эволюции GSM. Данная технология позволила существенно ускорить передачу информации. Иногда EDGE также называют стандартом поколения 2.75. К тому же, вводилась технология XRTT, которая в теории может передавать информацию со скоростью 144 килобит в секунду, но на деле этот показатель редко превышал 60. Тем не менее, данная технология все еще широко применяется, как и любая другая, использующая в своей работе зарегистрированную радиолинию.

Зачем нужен GSM в телефоне?

В данное время на смену связи и интернета GSM постепенно приходят более совершенные технологии, такие как WCDMA и LTE (4G). Благодаря повышенной пропускной способности доступная скорость отправки и получения информации возросла до 3,6 Мбит/с (3G). За счет этого пользователи получают возможность не только оперативно загружать большие файлы, но и просматривать видео в высоком разрешении. Однако это удовольствие нельзя назвать дешевым, в особенности по сравнению с 2G-сетями. Причем здесь дело касается не только стоимости связи, но и дополнительного расхода АКБ.

Именно по этой причине в настройках смартфона можно настроить наиболее удобный режим сети. Как правило, по умолчанию там установлено значение «Автоматически», что позволяет устройству подстраиваться под доступный в текущем месте стандарт связи.

Если есть потребность в экономии заряда батареи, можно переключить смартфон в режим GSM. Это позволит не только продлить время работы, но и улучшит качество связи, если в текущей локации слабый сигнал сетей 3G/4G.

Архитектура сети GSM

Разберем пример идеальной модели сети. На рисунке изображенном ниже представлена модель, у каждой БС есть по 6 соседей. К примеру, эти станции расположены на гладкой поверхности, без холмов, деревьев, зданий и неровностей.

Базовая станция (БС) — это приемо-передающая станция, которая взаимодействует с вашим мобильным телефоном по радиоканалу. Зона охвата БС при таких условиях представляет окружность, которые будут пересекаться между собой. Если соединим точки пересечения окружностей, то получим шестиугольники – пчелиные соты.

Сеть подразделяется на 2-е основные системы BSS (Base Station System) – подсистема базовой станции и SSS – система коммутации. Эта система включает:

BSC – контроллер базовой станции.

К его обязанностям относится:

• Распределение радиоканалов между базовой станцией и мобильной станцией;
• Контролирует соединение с мобильной станцией (МС);
• Уведомление МС о поступившем вызове;
• Контроль уровня выходной излучаемой мощности между мобильной и базовой станцией в течение разговоров абонентов.

Промежуточное звено между БС и системой коммутации является транскодер (TCE) — это оборудование, которое преобразует входные сигналы канала передачи голоса и данных из коммутационного центра в форму, соответствующую рекомендации GSM по радиоинтерфейсу.

Проще говоря, по проводным линиям, голос в цифровом виде отправляется со V=64 Кбит/с. Сигнал с одинаковой скоростью передаётся с выхода коммутационного центра. А уже между мобильной станции и БС речь передается со V=13 Кбит/с. Транскодер превращает 64 Кбит/с в 13.

Mobile Switching Center (MSC) переводится с английского как мобильный коммутационный центр. Коммутатор обслуживает ограниченную по территории группу сот, например в конкретном городе, и выполняет все виды соединений, нужных для работы МС.

Функции коммутатора:

Home Location Register (HLR) – «домашний» регистр местоположения. Это устройство содержит информацию о местонахождении любой из мобильных станций, что позволяет коммутационному центру отправлять вызов на эту станцию.

HLR это справочная база данных (БД) о регулярно регистрируемых абонентов в сети:

• Параметры достоверности пользователей;
• Определенные номера;
• Перечень оказываемых клиенту услуг связи;
• Спец. информация о маршрутизации;
• Оформление данных о роуминге.

Visitor Location Register (VLR) – Регистр местоположения посетителя.

Это временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия конкретного коммутационного центра. Основная роль VLR заключается в минимизации количества запросов, которые MSC должны выполнять к регистру домашнего местоположения (HLR), который содержит постоянные данные, относящиеся к абонентам сотовой сети.

В идеале, должен быть только один регистр местоположения посетителя на MSC, но также возможно, чтобы один VLR обслуживал несколько MSC.

Преимущество системы — она уменьшает нагрузку на основную базу данных в «домашнем» регистре местоположений. В ней хранятся такая же информация, что и в домашнем регистре, пока абонент находится в зоне покрытия конкретного коммутационного центра.

Authentication Center (AUC) – центр аутентификации. Это функция в сети GSM, используемая для аутентификации мобильного абонента, который хочет подключиться к сети. Аутентификация осуществляется путем идентификации и проверки действительности SIM-карты.

Как только подписчик аутентифицирован, AUC отвечает за генерацию параметров, используемых для конфиденциальности, и шифрование радиолинии. Чтобы обеспечить конфиденциальность мобильного абонента, временная идентификация мобильного абонента (TMSI) назначается на время, в течение которого абонент контролируется конкретным центром коммутации мобильной связи (MSC), связанным с AUC.

Equipment Identity Register (EIR) – регистр идентификации оборудования.

В регистре имеются специальные номера IMEI (международный идентификационный номер оборудования мобильной станции) практически на всех мобильных станциях, которые имеют доступ к конкретной сети связи.

База данных разделяется:

• Белый список – для авторизованной МС;
• Чёрный список попадают номера, которые были украдены, или лишенные доступа по любой другой причине;
• Серый для МС с проблемами данных программного обеспечения.

Управляющее звено сети, которая не включена в систему коммутации, является Operation and Maintenance Center (центром эксплуатации и технического обслуживания), сокращенно ЦЭиТО.

Operation and Maintenance Center проверяет и распоряжается остальными компонентами сети. В появления чрезвычайной ситуации ЦЭиТО уведомит персонал, и зарегистрирует сведения об аварийной ситуации. В зависимости от степени повреждения ОМС позволяет устранить ситуацию автоматически или с вмешательством персонала.

Для создания разумного иерархического управления сетью GSM, подходит Network Management Center (NMC) – сетевой операционный центр, который:

Эволюция GSM или что такое 2.5G и 2.75G

GPRS (General Packet Radio Service) или 2.5G – надстройка над стандартом GSM. Информация в ней передается в виде пакетов – сообщений, содержащих информацию об отправителе, получателе и передаваемые данные. Фрагмент фотографии, например.

Пакеты позволяют абонентам обмениваться данными не только между собой, но и отправлять / получать из Интернета. Скорость передачи – 85-100 кбит/сек.

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution ) или 2,75G – улучшенный вариант GPRS, использующий модуляцию 8PSK. Технология повышает скорость передачи до 270 кбит/сек.