АРХИТЕКТУРЫ МОБИЛЬНЫХ СЕТЕЙ

[сотовая связь; поколения сотовых сетей; стандарты сотовой связи; ]

Из самого названия – «мобильная сеть», – вытекает назначе­ние этого вида средств информационных коммуникаций: обеспе­чение информационного взаимодействия между подвижными абонентами (пользователями сети) и стационарными серверами с использованием радиоканалов.

Основой развития мобильных сетей выступают сотовые тополо­гии [4], обусловившие широкое использование другого названия этого вида сетей – сети [подвижной] сотовой связи.

Использовавшиеся изначально в целях обеспечения телефонной (голосовой) связи, к настоящему времени мобильные сети стали полноценным средством обмена информацией самого различного рода, а также средством доступа к популярным сетевым сервисам – электронной почте, www-сервису и др.

7.1. ПОКОЛЕНИЯ СЕТЕЙ МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Первое поколение мобильных телекоммуникаций, полу­чившее общее название «сети 1G[1]», относится к аналоговым сис­темам радиосвязи. В числе наиболее заметных представителей этого поколения мобильных сетей можно выделить сети стандар­тов:

· AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствован­ная мобильная телефонная служба, англ.); ис­пользуемый диапазон радиочастот – 800 МГц.

· TACS (Total Access Communications System – общедоступ­ная система связи, англ.); диапазон – 900 МГц.

· NMT (Nordic Mobile Telephone – мобильный телефон север­ных стран, англ.); диапазоны 450 и 900 МГц.

· RTMS (Radio Telephone Mobile System – мобильная радио­телефонная система, англ.); диапазон 450 МГц.

· NTT (Nippon Telephone and Telegraph system – японская система телефона и телеграфа, англ.); диапазон 800...900 МГц – в трех вариантах.

Во всех аналоговых стандартах для передачи речи и для передачи информации управления (сигнализации) применялась частотная модуляция. Для передачи информации различных каналов использовались различные участки спектра радиочастот с применением метода множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA – Frequency Division Multiple Access, англ.), с шириной полосы каналов в различных стандартах от 12,5 кГц до 30 кГц.

Это определяет основной недостаток аналоговых систем – относительно низкую емкость вследствие 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 мобильные системы второго поколения – сети 2G.

Второе поколение мобильных телекоммуникаций 2G представлено сетями, использующими стандарты: DAMPS, GSM, TDMA, CDMA.

В США аналоговый стандарт AMPS получил настолько широкое распространение, что его прямая замена полностью цифровым стандартом оказалась практически невозможной. Выходом послужила разработка аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу в аналоговом и цифровом режиме в одном и том же частотном диапазоне. Стандарт получил наименование DAMPS (Digital – цифровой, англ. – AMPS), или IS-54 (Interim Standard – промежуточный стандарт, англ.).

В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых мобильных систем. Поэтому здесь была осуществлена разработка единого общеевропейского стандарта GSM (Group Special Mobile – специальная мобильная группа, англ., позже переименованного в Global System for Mobile Communications – глобальная система мобильной связи, англ.); диапазон 900 МГц. Этот стандарт использует разделение канала по принципу TDMA[2] и обеспечивает высокую степень безопасности благодаря шифрованию с открытым ключом.

Помимо технологии TDMA, в сетях поколения 2G используется и передача данных с коммутацией пакетов на основе CDMA-технологии[3].

В сетях, относимых к поколению 2.5G, использована надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных, называемая GPRS (General Packet Radio Service – пакетная радиосвязь общего пользования, англ.) . GPRS предоставляет пользователям возможность обмена данными с другими устройствами, как в сети GSM, так и с внешними сетями, в том числе Internet, используя мобильный телефон. Технология GPRS предполагает тарификацию по объему переданной или полученной информации, а не времени подключения. В сети 2.5G может использоваться альтернативная GPRS технология HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data – высокоскоростная коммутация каналов, англ.), но она менее распространена, поскольку предполагает именно повременную тарификацию, в то время как в GPRS учитывается только трафик, т.е. пересылка пакетов.

Сети, называемые 2.75G, используют цифровую технологию мобильной связи EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution – усовершенствованная передача данных, развивающая GSM, англ.), функционирующую, как надстройка над 2G и 2.5G сетями. Технология EDGE не является новым стандартом сотовой связи, однако, она подразумевает дополнительный физический уровень, который может быть использован для увеличения пропускной способности сервисов GPRS. Для поддержки EDGE в сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования.

Согласно стандартам IMT-2000 (International Mobile Tele­communications 2000 – мобильная международная связь 2000, англ.), принятым ITU(International Telecommunication Union –Международный союз электросвязи, англ.), под мобильной свя­зью третьего поколения (сеть 3G) понимается интегрированная сеть, обес­печивающая скорости передачи данных:

· для абонентов с высокой мобильностью (до 120км/ч) – не менее 144 кбит/с;

· для абонентов с низкой мобильностью (до 3км/ч) – 384 кбит/с;

· для неподвижных объектов на коротких расстояниях – 2,048 Мбит/с.

Первоначально для сетей поколения 3G предполагалось создание единого стандарта, но значительные инвестиции, вложенные в развитие сетей предыдущего поколения, не позволили так просто от них отказаться, и смена поколения на основе единого нового стандарта оказалась неприемлемой. Сегодня в сетях третьего поколения преимущественно используются усовершенствованные технологии CDMA:

· WCDMA (Wideband CDMA – широкополосный CDMA) – технология радиоинтерфейса, избранная большинством операторов сотовой связи для обеспечения широкополосного радиодоступа с целью поддержки услуг 3G. Технология оптимизирована для предоставления высокоскоростных мультимедийных услуг типа видео, доступа в Internet и видеоконференций; обеспечивает скорости доступа вплоть до 2 Мбит/с на коротких расстояниях и 384 Кбит/с на больших с полной мобильностью. Поскольку такие скорости передачи данных требуют широкую полосу частот, ширина полосы WCDMA составляет 5 МГц.

· CDMA2000– развитие технологии CDMA. При построении системы мобильной связи на основе этой технологии первая фаза (CDMA2000 1Х) обеспечивает передачу данных со скоростью до 153 кбит/с, что позволяет предоставлять услуги голосовой связи, передачу коротких сообщений, работу с электронной почтой, базами данных, передачу данных и неподвижных изображений, доступ в Internet. Переход к следующей фазе (CDMA2000 1xEV-DO[4]) происходит при использовании той же полосы частот (1,23 МГц) на скорости передачи – до 2.4 Мбит/с в прямом канале и до 153 кбит/с в обратном. Это делает эту систему связи отвечающей требованиям 3G и предоставляет самый широкий спектр услуг, вплоть до передачи видео в режиме реального времени.

Сети поколения 3.5G используют высокоскоростную пакетную передачу данных от базовой станции к абоненту (HSDPA – High-Speed Downlink Packet Access, англ.) – стандарт мобильной связи, рассматриваемый 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.; в существующих сетях практически достижимая скорость – около 3 Мбит/сек.

Технологии, претендующие на роль поколения 4G – mobile WiMAX[5], LTE. UWB.

Технология mobile WiMAX, определяемая стандартомIEEE802.16-2005 (известен также как IEEE802.16e), утвержденным в 2005 году, явилась новым витком развития технологии фиксированного доступа WiMAX (стандарты группы IEEE802.16a-d). Она оптимизирована для поддержки мобильных пользователей, перемещающихся со скоростью до 120 км/час. Мобильность означает наличие функций роуминга и «бесшовного» переключения между базовыми станциями при передвижении абонента (как это происходит в сетях сотовой связи). В частном случае mobile WiMAX может применяться и для обслуживания фиксированных пользователей.

В России на апрель 2009г. WiMAXнаходилась только в стадии тестового регионального внедрения [13].

LTE[6] – технология построения сетей беспроводной связи нового поколения на базе IP-технологий, отличающаяся высокими скоростями передачи данных. Соответствующий стандарт разработан и утвержден международным партнерским объединением 3GPP. Цель разработки этого стандарта – обеспечение возможности создания высокоскоростных систем сотовой связи, оптимизированных для пакетной передачи данных со скоростью до 300 Мбит/с в нисходящем канале (от базовой станции к пользователю) и до 75 Мбит/с в восходящем канале (в обратном направлении). Пиковые скорости передачи данных в ранних реализациях должны составлять более 100 Мбит/с в нисходящем канале и более 50 Мбит/с в направлении от пользователя. Реализация LTE возможна в различных частотных диапазонах с использованием как частотного, так и временного разделения. Первые сети LTE по оценкам специалистов зарабо­тают не ранее 2010 года.

Технология UWB[7] по сути представляет новую версию технологии Bluetooth, предоставляющую пользователям существенно большую скорость обмена данными, использующую для радиотрансляции протокол WiFi (стандарты группы IEEE802.11).

На сегодняшний день в Российской федерации наиболее распространены сети мобильной связи второго поколения и идет активное освоение технологий третьего поколения. Поэтому в настоящем разделе рассматриваются особенности архитектур мобильных сетей, относящихся именно к этим поколениям.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

4. Галкин В.А., Григорьев Ю.А. Телекоммуникации и сети. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003. – 608 с., ил.

……

13. (http://www.osp.ru/nets/2007/16/4626460/) Мобильный WiMAX/

[1] G – от Generation – поколение, англ.

[2] TDMA(Time Division Multiple Access – множественный доступ с разделением по времени, англ.) – способ использования радиочастот, при котором в одном частотном интервале находятся несколько абонентов, использующих разные временные интервалы (слоты) для передачи. Является приложением техники мультиплексирования канала с разделением по времени (TDM – Time Division Multiplexing, англ.) к радиосвязи.

[3] CDMA (Code Division Multiple Access – множественный доступ с кодовым разделением, англ.). При этом способе разделения среды передачи каналы трафика создаются присвоением каждому пользователю отдельного числового кода, который распространяется по всей ширине полосы. Временное разделение отсутствует, и абоненты постоянно используют всю ширину канала. Передачи абонентов накладывается, но они могут быть разделены, поскольку различаются пользовательские коды.

[4] EV – от Evolution (эволюция , англ.); DO – Data Only (только данные, англ.).

[5] mobile– подвижный, мобильный, англ.; WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access) – глобальное сетевое взаимодействие на основе микроволнового доступа, англ.

[6] LTE (Long-Term Evolution) – долгосрочная эволюция, англ.

[7] UWB (Ultra-Wideband) –сверхширокополосная связь, англ.

Поиск по сайту: