Портал о современных технологиях мобильной и беспроводной связи

Идея создания беспроводной сети мобильной связи появилась более ста лет назад. Активная деятельность в этом направлении велась на Западе, но СССР не отставал от своих «коллег по цеху». Однако несмотря на многолетние разработки первая вариация сотового телефона появилась только в начале 70-х годов, когда в США был создан первый сотовый телефон, выпущенный компанией Motorola.

На сегодняшний день практически у каждого жителя планеты есть мобильные устройства, работающие на основе беспроводной связи. Только за последние сорок лет сменилось четыре поколения сотовой связи, сегодня активно развивается пятое (новейшее) поколение 5G, внедрить которое планируется в 2021 году.

В данной статье в общих чертах будет представлена информация по каждому поколению беспроводной сотовой связи.

История сотовой связи

Эволюция систем сотовой связи включает в себя несколько поколений 1G, , и . Ведутся работы в области создания сетей мобильной связи нового пятого поколения (). Стандарты различных поколений, в свою очередь, подразделяются на аналоговые (1G) и цифровые системы связи (остальные).

Рассмотрим их подробнее.

Связь всегда имела большое значение для человечества. Когда встречаются два человека, для общения им достаточно голоса, но при увеличении расстояния между ними возникает потребность в специальных инструментах. Когда в 1876 году Александр Грэхем Белл изобрел телефон, был сделан значительный шаг, позволивший общаться двум людям, однако для этого им необходимо было находиться рядом со стационарно установленным телефонным аппаратом! Более ста лет проводные линии были единственной возможностью организации телефонной связи для большинства людей. Системы радиосвязи, не зависящие от проводов для организации доступа к сети, были разработаны для специальных целей (например, армия, полиция, морской флот и замкнутые сети автомобильной радиосвязи), и, в конце концов, появились системы, позволившие людям общаться по телефону, используя радиосвязь. Эти системы предназначались главным образом для людей, ездивших на машинах, и стали известны как телефонные системы подвижной связи.

Требования IoT-устройств к сетям связи

Для реализации концепции «Интернета сервисов» необходима унификация всего разнообразия сетей доступа и домашних/локальных сетей на базе стека протоколов IP и переход абонентов от использования проприетарных абонентских устройств, сенсоров и контроллеров к выполненным в идеологии «Интернета вещей» сенсорам и исполнительным устройствам со свободным сетевым доступом к ним. Для оператора связи основные отличия устройств IoT от умных абонентских устройств состоят в потенциально существенно большем количестве первых, на порядки меньшем объеме трафика в расчете на одно устройство, но при этом в более высоких требованиях к качественным характеристикам. В число таких характеристик входят: доступность канала, задержка сигнала в канале, уровень информационной безопасности, необходимая мощность излучения (соответственно, длительность автономной работы устройств). Для телеметрических IoT-устройств больший вес имеют качественные (доступность, безопасность), а не количественные (емкость) характеристики канала. На рисунке 2 показаны области требований различных сервисов к сетям передачи данных. Так, для критичных сервисов телеметрии и телеуправления доступность канала связи с сенсорами и исполнительными устройствами должна достигать 99,999%.

Второе поколение мобильной связи (2G)

В 1982 году CEPT (франц. Conférence européenne des administrations des postes et télécommunications — Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств) сформировала рабочую группу, названную специальной группой по подвижной связи GSM (франц. Groupe Spécial Mobile) для изучения и разработки пан-Европейской наземной системы подвижной связи общего применения — второе поколение систем сотовой телефонии (2G). Название рабочей группы GSM также стало использоваться в качестве названия системы подвижной связи. В 1989 году обязанности CEPT были переданы в Европейский институт стандартов в телекоммуникации ETSI (англ. European Telecommunications Standards Institute). Первоначально GSM предназначалась только для стран-членов ETSI. Однако многие другие страны также имеют реализованную систему GSM, например, Восточная Европа, Средний Восток, Азия, Африка, Тихоокеанский регион и Северная Америка (с производной от GSM, названной PCS1900). Название GSM стало означать «глобальная система для подвижной связи», что соответствует ее сущности.

Первые мобильные сети второго поколения (2G) появились в 1991 году. Их основным отличием от сетей первого поколения стал цифровой способ передачи информации, благодаря чему появилась, любимая многими, услуга обмена короткими текстовыми сообщениями SMS (англ. Short Messaging Service). При строительстве сетей второго поколения Европа пошла путем создания единого стандарта – GSM, в США большинство 2G-сетей было построена на базе стандарта D-AMPS (Digital AMPS – цифровой AMPS), являющегося модификацией аналогового AMPS. Кстати, именно это обстоятельство стало причиной появления американской версии стандарта GSM – GSM1900. С развитием и распространением Интернет, для мобильных устройств сетей 2G, был разработан WAP (англ. Wireless Application Protocol – беспроводной протокол передачи данных) – протокол беспроводного доступа к ресурсам глобальной сети Интернет непосредственно с мобильных телефонов.

Основными преимуществами сетей 2G по сравнению с предшественниками было то, что телефонные разговоры были зашифрованы с помощью цифрового шифрования; система 2G представила услуги передачи данных, начиная с текстовых сообщений СМС.

Растущая потребность пользователей мобильной связи в использовании Интернет с мобильных устройств основным толчком для появления сетей, поколения 2,5G, которые стали переходными между 2G и 3G. Сети 2,5G используют те же стандарты мобильной связи, что и сети 2G, но к имеющимся возможностям добавилась поддержка технологий пакетной передачи данных – GPRS (англ. General Packet Radio Service – пакетная радиосвязь общего пользования), EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution – повышенная скорость передачи для развития GSM) в сетях GSM. Использование пакетной передачи данных позволило увеличить скорость обмена информацией при работе с сетью Интернет с мобильного устройств до 384 кбит/с, вместо 9,6 кбит/с у 2G-сетей.

Система HSCSD (англ. High Speed Circuit Switched Data – высокоскоростная передача данных) является простейшей модернизацией системы GSM, предназначенной для передачи данных. Суть этой технологии заключалась в выделении одному абоненту не одного, а нескольких (теоретически до восьми) временных интервалов. Таким образом, максимальная скорость увеличивалась до 115,2 кбит/с. HSCSD обеспечивала скорость, достаточную для выхода в Интернет, однако, при передаче данных информационные пакеты разделены неопределенными по времени промежутками, таким образом, использование этой технологии крайне расточительно. Дело в том, что сети HSCSD, как и классические сети GSM, основаны на технологии коммутации каналов, в которых за абонентом закрепляют дуплексный канал на все время сеанса связи. Из-за пауз в передаче канальный ресурс расходовался нерационально.

Дальнейшей эволюцией системы GSM стала технология GPRS. Ее внедрение способствовало более эффективному использованию канального ресурса и созданию комфортной среды при работе с сетью Интернет. Система GPRS разработана как система пакетной передачи данных с теоретической максимальной скоростью передачи порядка 170 кбит/с. GPRS сосуществует с сетью GSM, повторно используя базовую структуру сети доступа. Система GPRS является расширением сетей GSM с предоставлением услуг передачи данных на существующей инфраструктуре, в то время как базовая сеть расширяется за счет наложения новых компонентов и интерфейсов, предназначенных для пакетной передачи.

Прогресс не стоял на месте и, для увеличения скорости передачи данных, была изобретена новая система – EDGE. Она предусматривала введение новой схемы модуляции. В результате стала достижима скорость в 384 кбит/с. EDGE была введена в сетях GSM с 2003 фирмой Cingular (ныне AT&T) в США.

Технологии GPRS и EDGE в разных источниках называли по-разному. Они уже переросли второе поколение, но еще не дотягивали до третьего. Зачастую GPRS называли 2,5G, EDGE – 2,75G.

LTE-A (LTE Advanced)

Под LTE Advanced (LTE-A) на сегодня принято понимать набор технологий, стандартизованных в документе 3GPP Rel.10 и последующих релизах. Ключевые функции — агрегация частот (CA), усовершенствованные техники работы с антеннами, доработанные MIMO для увеличения емкости и релейной передачи. Улучшения также включают оптимизацию работы гетерогенных сетей (на предмет наращивания емкости и улучшения управления интерференцией), SRVCC, eMBMS. В Rel.11 появилась также поддержка CoMP, eICIC. LTE-A на сегодня — основной тренд отрасли, практически каждый третий оператор сети LTE в мире инвестирует в испытания или занимается развертыванием поддержки данной технологии.

LTE-A, как ожидается, поможет справиться с активным ростом трафика беспроводных данных, а также будет способствовать повышению средних скоростей в беспроводных сотовых сетях. Это означает также лучшее покрытие, бОльшую стабильность и быстроту сетей. Это означает комплексное улучшение параметров сети передачи данных, а не только увеличение скорости скачивания данных. LTE-A обеспечит для операторов возможность нарастить емкость их сетей, улучшить качество пользовательского опыта, улучшить возможности распределения сетевых ресурсов. Для этого используется целый набор различных технологий, некоторые из которых не являются новыми, но ранее не использовались в единой системе связи.

Ожидается, что LTE-A позволит передавать данные с пиковыми скоростями до 1 Гбит/с по сравнению с 300 Мбит/с для LTE. Агрегация частот обеспечивает возможность предоставлять абонентам более высокие скорости, позволяя загружать данные с использованием одновременно нескольких полос частот. Абонентское устройство в режиме CA принимает и комбинирует одновременно несколько сигналов, например из двух несущих частот или даже из разных диапазонов частот. Комбинировать можно до пяти несущих шириной по 20 МГц каждая, собирая широкий канал для перекачки данных с полосой до 100 МГц. MIMO, как технология множественного ввода/вывода, может увеличивать суммарную скорость передачи данных за счет одновременной передачи сигнала с разделением потока данных между двумя или большим числом антенн. Это позволяет повысить спектральную эффективность передачи информации. Более того, возможно динамическое создание ориентированной на конкретное абонентское устройство синтезированной направленной антенны.

Relay Nodes — способ быстро нарастить покрытие сети в местности, где нет мощных каналов передачи цифровых данных. В этом случае радиоподсистема LTE-A сама выполняет функцию беспроводной опорной сети. Это также возможность размещать маломощные БС на краях соты, чтобы улучшить там покрытие и емкость.

Основные цифровые стандарты систем сотовой связи второго поколения:

• D-AMPS (Digital AMPS — цифровой AMPS; диапазоны 800 МГц и 1900 МГц);
• GSM (Global System for Mobile communications – глобальная система мобильной связи, диапазоны 900, 1800 и 1900 МГц);
• CDMA (диапазоны 800 и 1900 МГц);
• JDC (Japanese Digital Cellular – японский стандарт цифровой сотовой связи).

Табл. 2. Сравнение систем сотовой связи второго поколения (2G)

Третье поколение мобильной связи (3G)

Дальнейшим развитием сетей мобильной связи стал переход к третьему поколению (3G). 3G – это стандарт мобильной цифровой связи, который под аббревиатурой IMT-2000 (англ. International Mobile Telecommunications – международная мобильная связь 2000) объединяет пять стандартов – W-CDMA, CDMA2000, TD-CDMA/TD-SCDMA, DECT (англ. Digital Enhanced Cordless Telecommunication – технология улучшенной цифровой беспроводной связи). Из перечисленных составных частей 3G только первые три представляют собой полноценные стандарты сотовой связи третьего поколения. DECT – это стандарт беспроводной телефонии домашнего или офисного назначения, который в рамках мобильных технологий третьего поколения, может использоваться только для организации точек горячего подключения (хот-спотов) к данным сетям.

Стандарт IMT-2000 дает четкое определения сетей 3G – под мобильной сетью третьего поколения понимается интегрированная мобильная сеть, которая обеспечивает: для неподвижных абонентов скорость обмена информацией не менее 2048 кбит/с, для абонентов, движущихся со скоростью не более 3 км/ч — 384 кбит/с, для абонентов, перемещающихся со скоростью не более 120 км/ч – 144 кбит/с. При глобальном спутниковом покрытии сети 3G должны обеспечивать скорость обмена не менее 64 кбит/с. Основой всех стандартов третьего поколения являются протоколы множественного доступ с кодовым разделением каналов. Подобная технология сетевого доступа не является чем-то принципиально новым. Первая работа, посвященная этой теме, была опубликована в СССР еще в 1935 году Д.В. Агеевым.

Технически сети с кодовым разделением каналов работают следующим образом – каждому пользователю присваивается определенный числовой код, который распространяется по всей полосе частот, выделенных для работы сети. При этом какое-либо временное разделение сигналов отсутствует, и абоненты используют всю ширину канала. При этом, естественно, сигналы абонентов накладываются друг на друга, но благодаря числовому коду могут быть легко дифференцированы. Как было упомянуто выше, данная технология известна достаточно давно, однако до середины 80-х годов прошлого века она была засекреченной и использовалась исключительно военными и спецслужбами. После снятия грифов секретности началось ее активное использование и в гражданских системах связи.

Инструкция телефона

Полезную информацию касательно вопроса предоставит инструкция телефона. Соответствующий раздел перечисляет поддерживаемые частоты. Отдельные аппараты позволят настроить область приёма. Следует выбирать модель телефона, ловящую общепринятые российские каналы:

1. 900 МГц – E-GSM. Восходящая ветка – 880..915 МГц, нисходящая – 925..960 МГц.
2. 1800 МГц – DCS. Восходящая ветка – 1710..1785 МГц, нисходящая – 1805..1880 МГц.

Технология LTE добавляет область 2600 МГц, внедрён канал 800 МГц.

Четвертое поколение мобильной связи (4G)

В марте 2008 года сектор радиосвязи Международного союза электросвязи (МСЭ-Р) определил ряд требований для стандарта международной подвижной беспроводной широкополосной связи , получившего название спецификаций International Mobile Telecommunications Advanced (IMT-Advanced), в частности установив требования к скорости передачи данных для обслуживания абонентов: скорость 100 Мбит/с должна предоставляться высокоподвижным абонентам (например, поездам и автомобилям), а абонентам с небольшой подвижностью (например пешеходам и фиксированным абонентам)должна предоставляться скорость 1 Гбит/с.

Так как первые версии мобильного WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access – всемирная совместимость для микроволнового доступа) и LTE (англ. Long Term Evolution – долгосрочное развитие) поддерживают скорости значительно меньше 1 Гбит/с, их нельзя назвать технологиями, соответствующими IMT-Advanced, хотя они часто упоминаются поставщиками услуг, как технологии 4G. 6 декабря 2010 года МСЭ-Р признал, что наиболее продвинутые технологии рассматривают как 4G.

Основной, базовой, технологией четвёртого поколения является технология ортогонального частотного уплотнения OFDM (англ. Orthogonal Frequency-Division Multiplexing – мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов). Кроме того, для максимальной скорости передачи используется технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами – MIMO (англ. Multiple Input/Multiple Output – множество входов/множество выходов). При данной технологии передающие и приёмные антенны разнесены так, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.

Таким образом, эволюцию стандартов мобильной связи можно представить в следующем виде:

Рис. 1. Эволюция стандартов мобильной связи

Сравнительные характеристики стандартов различных поколений мобильной связи можно свести в следующую таблицу:

Табл. 3. Эволюция мобильной телефонии

Пятое поколение мобильной связи (5G)

В настоящее время ведутся предкоммерческие и коммерческие запуски сетей . Подробнее о запусках сетей 5G в России и мире можно ознакомиться по соответствующим ссылкам.

К сетям пятого поколения заявлены следующие требования (в сравнении с LTE):

— Рост в 10-100 раз скорости передачи данных в расчете на абонента;

— Рост в 1000 раз среднего потребляемого трафика абонентом в месяц;

— Возможность обслуживания большего (в 100 раз) числа подключаемых к сети устройств;

— Многократное уменьшение потребление энергии абонентских устройств;

— Сокращение в 5 и более раз задержек в сети;

— Снижение общей стоимости эксплуатации сетей пятого поколения.

Требования к сетям 5G в оцифрованном виде представлены по ссылке.

Более подробную информацию об эволюции сетей мобильной связи, текущем состоянии, трендах и перспективах ее развития читайте в новейшей книге-справочнике «Мобильная связь на пути к 6G».

Стандарт связи 4G — LTE и WiMax

4G — это четвертое поколение связи, где буква «G» означает «Generation».

Несмотря на то, что сеть 3G не сдает свои обороты и активно используется в России и Европе, ей на смену пришла уже хорошо себя зарекомендовавшая сеть четвертого поколения, которая полностью соответствует высоким запросам и требованиям абонентов.

Стандартами сети 4G стали LTE и WiMax

LTE — своеобразный последователь привычных нам GSM/UMTS. Изначально LTE не относился к сети нового поколения, но постепенно за счет более усовершенствованных технологий передачи данных его стали считать основным стандартом сети 4G. Максимальная скорость, с которой могут (теоретически) передаваться данные в стандарте LTE — 326,4 Мбит/секунду. Реальная скорость может колебаться и зависеть от многочисленных факторов. Самая большая ширина диапазона для частот LTE у оператора «Мегафон» (составляет 40 МГц и 300 Мбит/секунду соответственно). У остальных ширина диапазона не превышает 10 МГц, что соответствует 75 Мбит/секунду.

WiMAX — продолжает беспроводной стандарт передачи мобильных данных. На сегодняшний день существует несколько версий данного стандарта — фиксированные, которые предназначаются для находящихся в неподвижности абонентов, а также мобильные версии — для абонентов в движении.