Стандарты мобильной связи. Что такое "поколение" сетей сотовой связи? Типы передачи данных в сотовых сетях

Жизнь современного человека нельзя представить без мобильной связи. Первыми «переносными трубками» стали радиотелефоны, к ним относится самое первое поколение сотовой связи 1G , а именно - стандарт NMT (Nordic Mobile Telephone), который появился на мировом рынке в 1981 году .

Технология LTE (Long-Term Evolution) - это основное направление эволюции сетей сотовой связи третьего поколения (3G). В январе 2008 года международное объединение Third Generation Partnership Project (3GPP), разрабатывающее перспективные стандарты мобильной связи, утвердило LTE в качестве следующего после UMTS стандарта широкополосной сети мобильной связи.

Сети 4G на основе стандарта LTE способны работать практически по всей ширине спектра частот от 700 МГц до 2,7 ГГц.

LTE обеспечивает теоретическую пиковую скорость передачи данных до 326,4 Мбит/с от базовой станции к пользователю и до 172,8 Мбит/с в обратном направлении.

Технология Long Term Evolution, как ожидается, приведет к появлению качественно новых мобильных сервисов : пользователи смогут в режиме реального времени получать видео высокого качества, работать с интерактивными службами и пр.

В апреле 2009 года сеть LTE показала Motorola на выставке CTIA Wireless. В мае шведский оператор Telia продемонстрировал первый в мире участок сети сотовой связи, построенный по технологии LTE . Над созданием таких сетей работают Verizon, Bell и Telus.

Этот стандарт был разработан корпорацией Intel, крупнейшим мировым производителем микрочипов. Соответственно, WiMAX-чипами будут в первую очередь комплектовать ноутбуки. Скорей всего, со временем WiMAX вытеснит Wi-Fi, так как Wi-Fi действует в радиусе нескольких метров от точки доступа, у мобильного WiMAX покрытие существенно больше. И кроме того, он позволяет абоненту, если тот перемещается со скоростью до 120 км/ч, переключаться между станциями .

Летом 2009 года в России в коммерческую эксплуатацию была запущена первая в России сеть беспроводного быстрого интернета по технологии Mobile WiMAX (4G). Поставщиком услуг на базе этой сети стала компания «Скартел», известная под брендом Yota. Сеть обеспечивает высокую скорость доступа в интернет - до 10 Мбит/с, в любое время, в любом месте зоны покрытия и поддерживает соединение даже в движении, на скорости до 120 км/ч. Доступ к Yota уже получили жители Москвы, Санкт-Петербурга, Уфы, Краснодара и Сочи.

Материал подготовлен на основе информации открытых источников

Недостатки аналоговых сетей первого поколения , связанные с низкой пропускной способностью сети и слабой конфиденциальностью разговоров, подтолкнули разработчиков к созданию сетей второго поколения 2G , основанных на цифровых стандартах. По мере роста популярности мобильной связи разработчики всерьез занялись увеличением пропускной емкости стандартов и тотальной стандартизацией по всему миру. Унификация мобильных терминалов позволяет клиентам спокойно путешествовать по всей планете и всегда оставаться на связи благодаря автоматическому роумингу. К началу 90-х годов стало очевидно, что только цифровые способы передачи речи и управления мобильной связью позволят решить эти две задачи. Работы по созданию общемирового цифрового стандарта сотовой связи велись в Европе и в Америке.

Существуют четыре основных вида сетей второго поколения с возможностью организации сот радиусом до 20-30 км. Это американские сети D-AMPS и CDMA , японский стандарт JDC (Japan Digital Cell) и глобальный общеевропейский стандарт GSM . Таким первопроходцам рынка, как например D-AMPS, сегодня приходится очень тяжело. Чтобы выдерживать конкуренцию, им приходится снижать тарифы и предлагать услуги, которых первоначально данный стандарт не предполагал: автодозвон, автоматическое определение номера, конференцсвязь, голосовая почта, передача данных, а также доступ в сеть Internet.

Сохранив прежний размер сот и базовую инфраструктуру, новый стандарт CDMA (Code Division Multiple Access) увеличил количество одновременно звонящих абонентов в соте до 1000, а также уменьшил себестоимость телефонов, улучшил конфиденциальность разговоров и полностью устранил проблему двойников. Каждый телефон CDMA имеет свой идентификационный номер и для замены аппарата требуется обязательное участие сотового оператора. Список телефонных номеров и личный органайзер пользователя хранятся в памяти телефона, и при замене аппарата приходится перезаписывать всю информацию. Для повышения конфиденциальности разговоров в цифровых системах кодирование речи происходит путем сжатия информационного потока. Телефоны стандарта CDMA имеют небольшие размеры и низкий расход энергии. На сегодняшний день стандарт, получивший наибольшее распространение в Северной Америке и Корее, предлагает абонентам хорошее качество звука и наибольшую скорость передачи данных (14,4 кбит/с). Существуют операторы этого стандарта и в России, однако их количество невелико, из-за чего роуминг сильно ограничен.

Сотовые сети стандарта GSM (Global System for Mobile Communications) сегодня наиболее популярны. Этот цифровой стандарт мобильной связи был создан в Европе в 1991 году и очень быстро распространился по всему миру. Стандарт учитывает многолетний опыт эксплуатации сотовых сетей, рассчитан на массовое применение и допускает модификацию без нарушения базовых функций. Радиус соты сети GSM может достигать 35 км, а количество одновременных звонков – до 1000. Максимальная мощность мобильных телефонов находится в пределах 1 Вт, а в стационарных и автомобильных модификациях телефонов достигает 20 Вт. Мобильные терминалы GSM наиболее миниатюрны и имеют наибольший ресурс работы без подзарядки.

Для цифровых стандартов сотовой связи 2G характерно чистое звучание без помех, которое лишь немного искажает тембр и интонационный оттенок речи. При слабом сигнале или неустойчивой связи возможно незначительное «проглатывание» фрагментов слов. В моменты, когда абонент слушает собеседника, цифровые системы полностью отключают передатчик, чтобы не засорять эфир и экономить заряд аккумулятора. В это же время говорящий слышит в динамике искусственный "комфортный шум", чтобы не создавалось ощущение отсутствия связи. Подслушать разговоры в эфире GSM практически невозможно, так как используются сложные и закрытые алгоритмы шифрования, которые часто меняются и каждое соединение имеет свой ключ.

Существенно увеличило пропускную способность введение стандарта GSM 1800 , который расширил диапазон используемых частот, а соты сделал более мелкими. Опыт эксплуатации сетей GSM 1800 в крупнейших городах показал, что стандарт позволяет избежать перегрузок сети даже при тотальном использовании мобильной связи. GSM использует частоты 900 МГц и 1800 МГц во всем мире, а вот в США Федеральная комиссия по радиосвязи предоставила операторам небольшой диапазон в районе 1900 МГц, создав, таким образом, американский стандарт GSM 1900. В этом же диапазоне могут работать также операторы сетей CDMA и D-AMPS. Выпускаемые в настоящее время мобильные телефоны способны работать во всех трех GSM диапазонах.

В дальнейшем возникла острая потребность в создании нового стандарта мобильной связи, который смог бы обеспечить существенно большую скорость передачи информации и комфортную работу в Интернет. Задача была решена в виде GPRS -технологии, реализованной в форме надстройки над стандартом GSM и позволяющей достигать на прием скорости 40,2 кбит/с.

В телефонах стандарта GSM используется сменная SIM-карта (Subscribe Identity Module) , позволяющая оператору однозначно идентифицировать абонента, а также хранить в своей памяти 255 номеров абонентов. При перестановке SIM-карты из одного аппарата в другой автоматически переносится собственный телефонный номер и телефонная книжка.

Операторы сетей GSM предоставляют широкий спектр услуг:

• голосовые соединения;
• текстовые сообщения SMS (Short Message Service);
• выход в Internet непосредственно с телефона при помощи WAP-браузера;
• передача информации и факсов (скорость 9,6 кбит/с или до 384 кбит/сек при поддержке технологии EDGE);
• конференцсвязь;
• переадресация звонков;
• информационные услуги (погода, цены, адреса, телефоны);
• формирование групп пользователей и др.

Мобильные сети GSM состоят из системы коммутации – Network Switching System (NSS) , системы базовых станций - Base Station System (BSS) и телефонов абонентов (MS) .

Система NSS служит для обслуживания вызовов и коммутации соединений, а также предоставление услуг абоненту. Система BSS выполняет все функции радиоинтерфейса.

NSS состоит из :

• центра коммутации мобильной связи (MSC);
• домашнего регистра местоположения (HLR);
• визитного регистра местоположения (VLR);
• центра аутентификации (AUC);
• регистра идентификации абонентского оборудования (EIR).

BSS включает в себя функциональные блоки :

• контроллер базовых станций (BSC);
• базовую станцию (BTS).

Центр коммутации мобильной связи (MSC) является главным элементом сети GSM и осуществляет контроль за BTS и BSC в своей зоне обслуживания. MSC устанавливает соединения между абонентами сети, а также осуществляет соединения с другими мобильными и стационарными сетями.

Домашний регистр местоположения (HLR) хранит информацию об абонентах (перечень подключенных услуг, текущее состояние, местоположение и др.), которые относятся к данному MSC.

Визитный регистр местоположения (VLR) содержит информацию об активных абонентах в зоне обслуживания конкретного MSC. К ней относятся данные о домашних абонентах данного MSC и абонентах, для которых этот MSC является гостевым. Источником информации для VLR является HLR.

Центр аутентификации (AUC) служит для идентификации абонентов и предотвращения несанкционированного доступа в сеть. При включении телефона, совершении звонка, отправке SMS и т.п. MSC в обязательном порядке выполняет процедуру аутентификации на основании информации полученной из AUC и MS.

Регистр идентификации абонентского оборудования (EIR) представляет собой базу данных с информацией об идентификационных номерах мобильных терминалов GSM, которая может быть использована для блокировки украденных телефонов. EIR не является обязательным элементом и присутствует не во всех сетях.

Контроллер базовых станций (BSC) представляет собой коммутатор большой емкости, который предназначен для управления всеми функциями радиоканалов в сети GSM (хэндовер MS, назначение радиоканала и получение информации о конфигурации сот). Под управлением каждого MSC может находиться несколько BSC.

Базовая станция (BTS) управляет радиосвязью с телефоном абонента. BTS состоит из приемо-передатчиков и антенн, которые требуются для обслуживания каждой соты.

В сетях GSM с технологией пакетной передаче данных GPRS дополнительно используются блоки:

• Узел обслуживания абонентов GPRS (SGSN), который представляет собой маршрутизатор с расширенными функциями установления сессии пакетной передачи данных, маршрутизации пакетов и начисления платы за предоставленные услуги. Стоит отметить, что пакетные данные передаются от подсистемы базовых станций в сторону SGSN, а не в сторону MSC.
• Шлюзовой узел GPRS (GGSN) часто конструктивно объединяется в одном устройстве вместе с SGSN и представляет собой шлюз сети. Если пакеты данных направляются за пределы сети оператора, то именно GGSN выполняет эту функцию.

Новичкам непонятны игры, предпринимаемые разработчиками стандартов. Казалось бы, использует GSM частоты 850, 1900, 900, 1800 МГц, чего боле? Быстрый ответ – читайте нижеследующий раздел Инструкция телефона. Будет показана неправомерность общепринятого толкования. Проблема описана следующими положениями:

1. Второе поколение сотовой связи 2G породило уйму стандартов. Мир знает три эпицентра, задающих ритм: Европа, Северная Америка, Япония. Россия переняла стандарты первых двух, переиначив.
2. Родословное дерево нормативов постоянно ширится.
3. Международные варианты стандартов призваны объединить разнородные правила отдельных стран. Часто напрямую внедрение невозможно. Правительства изменяют законодательную базу, закрепляя планы частот.

Сказанное объясняет истоки непонимания проблемы новичками. Возвращая вопросу ясность, построим упрощённую иерархию стандартов, указывая попутно используемые частоты.

Генеалогия стандартов

Следующая информация призвана разъяснить обывателю структуру существующих, вымерших стандартов. Ниже, в следующих разделах, будут описаны применявшиеся в России технологии. Жирным помечены соответствующие представители древа, украсивший русский лес.

1G

1. Семейство AMPS: AMPS, NAMPS, TACS, ETACS.
2. Прочие: NMT, C-450, DataTAC, Hicap, Mobitex.

2G: 1992

1. Семейство GSM/3GPP: GSM, HSCSD, CSD.
2. Семейство 3GPP2: cdmaOne.
3. Семейство AMPS: D-AMPS.
4. Прочее: iDEN, PHS, PDC, CDPD.

2G+

1. Семейство 3GPP/GSM: GPRS, EDGE.
2. Семейство 3GPP2: CDMA2000 1x, включая Advanced.
3. Прочие: WiDEN, DECT.

3G: 2003

1. Семейство 3GPP: UMTS.
2. Семейство 3GPP2: CDMA2000 1xEV-DO R. 0

3G+

1. Семейство 3GPP: LTE, HSPA, HSPA+.
2. Семейство 3GPP2: CDMA2000 1xEV-DO R. A, CDMA2000 1xEV-DO R. B, CDMA2000 1xEV-DO R. C
3. Семейство IEEE: Mobile WiMAX, Flash OFDM.

4G: 2013

1. Семейство 3GPP: LTE-A, LTE-S Pro.
2. Семейство IEEE: WiMAX.

5G: 2020

1. 5G-NR.

Краткое описание

Генеалогия позволяет проследить вымершие виды. Например, современные авторы часто пользуются аббревиатурой GSM, вводя читателя в заблуждение. Технология целиком ограничена вторым поколением сотовой связи, вымерший вид. Прежние частоты с дополнениями продолжают использоваться потомками. 1 декабря 2016 года австралийский Телстра прекратил использование GSM, став первым в мире оператором, целиком обновившим оборудование. Технологией продолжают довольствоваться 80% населения планеты (согласно сведениям Ассоциации GSM). Примеру австралийских коллег 1 января 2017 года последовал американский AT&T. Последовала остановка сервиса оператором Optus, апрельским деньком 2017 Сингапур признал несоответствие 2G возрастающим потребностям населения.

Итак, термин GSM используется применительно к устаревающему оборудованию, завалившему РФ. Протоколы-потомки могут быть названы наследниками GSM. Частоты следующими поколениями сохранены. Меняются проколы, методы передачи информации. Ниже рассмотрены аспекты распределения частот, сопровождающие модернизацию оборудования. Обязательно приводятся сведения, позволяющие установить родство GSM.

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.

История возникновения связи РФ: частоты

В 1983 году начата разработка европейского стандарта цифровой связи. Напоминаем, первое поколение 1G использовало аналоговую передачу. Таким образом, инженеры заранее развивали стандарт, упреждая историю развития техники. Цифровая связь рождена Второй мировой войной, точнее, системой шифрованной передачи Зелёный шершень. Военные отлично понимали: грядёт эпоха цифровых технологий. Гражданская промышленность ловила движение ветра.

900 МГц

Европейская организация CEPT создала комитет GSM (Groupe Special Mobile). Европейская комиссия предложила использовать спектр 900 МГц. Разработчики засели в Париже. Пять лет спустя (1987) 13 стран ЕС подали Копенгагену меморандум необходимости создания единой сети сотовой связи. Сообщество решило запросить помощи GSM. В феврале вышла первая техническая спецификация. Политики четырёх стран (май 1987) поддержали проект боннской декларацией. Следующий короткий период (38 недель) наполнен всеобщей суетой, управляемой четырьмя назначенными персонами:

1. Армин Зильберхорн (Германия).
2. Филипп Дупулис (Франция).
3. Ренцо Фаилли (Италия).
4. Стефен Темпл (Великобритания).

В 1989 комиссия GSM оставляет попечительство CEPT, становясь частью ETSI. 1 июля 1991 года бывший премьер-министр Финляндии, Гарри Холкери, совершил первый звонок абоненту (Каарина Суонио), пользуясь услугами провайдера Радиолиния.

1800 МГц

Параллельно внедрению 2G шли работу, призванные задействовать область 1800 МГц. Первая сеть накрыла Великобританию (1993). Одновременно задвигался австралийский оператор Телеком.

1900 МГц

Частота 1900 МГц введена США (1995). Создана ассоциация GSM, мировое число абонентов достигло цифры 10 млн. человек. Годом позже цифра возросла десятикратно. Использование 1900 МГц помешало внедрению европейской версии UMTS.

800 МГц

Диапазон 800 МГц появился в 2002 году, параллельно внедрению сервиса мультимедийных сообщений.

Внимание, вопрос!

Какие частоты стали российским стандартом? Путаницы добавляет незнание авторами рунета нормативов, принимаемых официальными разработчиками. Прямой ответ рассмотрен выше (см. раздел Инструкция телефона), описываем работу упомянутых организаций (раздел UMTS).

Почему так много частот

Исследуя результаты 2010 года, Ассоциация GSM заявила: стандартом охвачены 80% абонентов планеты. Это значит, что четыре пятых сетей не могут выбрать единую частоту. Вдобавок имеется 20% чужеродных стандартов связи. Откуда берётся корень зла? Страны второй половины ХХ века развивались разрозненно. Частоты 900 МГц СССР заняли военная, гражданская воздушная навигация.

GSM: 900 МГц

Параллельно выработке Европой первых вариантов GSM НПО Астра, НИИ Радио, НИИ Министерства обороны затеяли исследования, окончившиеся натурными испытаниями. Вынесенный вердикт:

• Возможно совместное функционирование навигации и второго поколения сотовой связи.

1. NMT-450.

Обратите внимание: опять 2 стандарта. Каждый использует собственную сетку частот. Объявленный конкурс распределения GSM-900 выиграли НПО Астра, ОАО МГТС (ныне МТС), российские компании, канадская BCETI.

NMT-450МГц - первое поколение

Итак, Москва использовала, начиная 1992 годом, диапазон 900 МГц (см. выше), потому что другие частоты GSM ещё не были рождены. Вдобавок NMT (Нордические мобильные телефоны)… Изначально страны Скандинавского полуострова разработали два варианта:

1. NMT-450.
2. NMT-900 (1986).

Причина выбора российским правительством первого ответа? Вероятно, решили попробовать два диапазона. Обратите внимание, указанные стандарты описывают аналоговую связь (1G). Страны-разработчики начали прикрывать лавочку с декабря 2000 года. Последней (1 сентября 2010) сдалась Исландия (Siminn). Эксперты отмечают важное преимущество диапазона 450 МГц: дальность. Весомый плюс, оценённый удалённой Исландией. Российское правительство хотело покрыть площадь страны, задействовав минимум вышек.

NMT возлюбили рыбаки. Освобождённую сетку занял цифровой CDMA 450. За 2015 год технологии Скандинавии освоили 4G. Российский Уралвестком освободил каморку 1 сентября 2006 года, Сибирьтелеком – 10 января 2008. Дочерний (Теле 2) Скайлинк забивает диапазоном Пермскую, Архангельскую области. Срок окончания лицензии – 2021 год.

D-AMPS: ДМВ (400..890 МГц) - второе поколение

Американские сети 1G, использовавшие спецификацию AMPS, отказывались принимать GSM. Взамен разработаны две альтернативы организовать мобильные сети второго поколения:

1. IS-54 (март 1990 года, 824-849; 869-894 МГц).
2. IS-136. Отличается большим числом каналов.

Стандарт ныне мёртв, повсеместно заменён потомками GSM/GPRS, CDMA2000.

Зачем россиянину D-AMPS

Российский обыватель часто пользуется подержанной техникой. Оборудование D-AMPS достигло складов Теле 2, Beeline. 17 ноября 2007 последние прикрыли лавочку Центральному региону. Лицензия Новосибирской области истекла 31 декабря 2009. Последняя ласточка улетела 1 октября 2012 (Калининградская область). Киргизия использовала диапазон до 31 марта 2015.

CDMA2000 - 2G+

Некоторые варианты протокола используют:

1. Узбекистан – 450 МГц.
2. Украина – 450; 800 МГц.

В период декабрь 2002 – октябрь 2016 спецификации 1хRTT, EV-DO Rev. A (450 МГц) применялись Скайлинк. Ныне инфраструктура модернизирована, внедрён LTE. 13 сентября 2016 года мировые порталы облетела весть: Теле 2 прекращает использование CDMA. Американский MTS начал процесс внедрения LTE годом ранее.

GPRS – второе-третье поколение

Разработка протокола CELLPAC (1991-1993) явилась поворотной точкой развития сотовой связи. Получено 22 патента США. Потомками технологии считают LTE, UMTS. Пакетная передача данных призвана ускорить процесс обмена информацией. Проект призван усовершенствовать сети GSM (частоты перечислены выше). Сервису пользователю обязаны получением технологий:

1. Доступ в интернет.
2. Устаревший «нажми, чтобы говорить».
3. Мессенджер.

Наложений двух технологий (СМС, GPRS) многократно ускоряет процесс. Спецификация поддерживает протоколы IP, PPP, X.25. Пакеты продолжают приходить даже во время разговора.

EDGE

Очередная ступень эволюции GSM задумана компаний AT&T (США). Compact-EDGE занял нишу D-AMPS. Частоты перечислены выше.

UMTS – полноценное 3G

Первое поколение, потребовавшее обновить оборудование базовых станций. Изменилась сетка частот. Предельная скорость передачи линии, использующей преимущества HSPA+, составляет 42 Мбит/с. Реально достижимые скорости значительно перекрывают 9,6 кбит/с GSM. Начиная 2006 годом, страны затеяли обновление. Используя ортогональное частотное мультиплексирование, комитет 3GPP намеревался достичь уровня 4G. Ранние пташки выпущены в 2002 году. Изначально разработчик заложил следующие частоты:

1. .2025 МГц. Восходящая связная ветка.
2. .2200 МГц. Нисходящая связная ветка.

Поскольку США уже использовала 1900 МГц, то выбрала отрезки 1710..1755; 2110..2155 МГц. Многие страны последовали примеру Америки. Частота 2100 МГц слишком часто занята. Отсюда приведённые вначале цифры:

• 850/1900 МГц. Причём 2 канала выбирают, используя один диапазон. Либо 850, либо 1900.

Согласитесь, некорректно приплетать GSM, следуя дурному распространённому примеру. Второе поколение использовало полудуплексный единый канал, UMTS – задействовал сразу два (шириной 5 МГц).

Сетка частот UMTS России

Первая попытка распределить спектры состоялась 3 февраля-3 марта 1992 года. Решение адаптировала женевская конференция (1997). Именно спецификация S5.388 закрепила диапазоны:

• 1885-2025 МГц.
• 2110-2200 МГц.

Решение потребовало дальнейших уточнений. Комиссия определила 32 ультра-канала, 11 составили неиспользуемый резерв. Большинство прочих получили уточняющие названия, поскольку отдельные частоты совпадали. Россия отвергла европейскую практику, презрев США, приняв 2 канала (band) UMTS-FDD:

1. №8. 900 МГц – E-GSM. Восходящая ветка – 880..915 МГц, нисходящая – 925..960 МГц.
2. №3. 1800 МГц – DCS. Восходящая ветка – 1710..1785 МГц, нисходящая – 1805..1880 МГц.

Характеристики сотового телефона следует выбирать согласно приведённой информации. Таблица Википедии, раскрывающая частотный план планеты Земля, совершенно бесполезна. Забыли учесть российскую специфику. Европа эксплуатирует близлежащий канал №1 IMT. Вдобавок имеется сетка UMTS-TDD. Оборудование двух вариантов воздушных сетей несовместимо.

LTE – 3G+

Эволюционное продолжение связки GSM-GPRS-UMTS. Может послужить надстройкой сетей CDMA2000. Только многочастотный телефон способен обеспечить технологию LTE. Эксперты прямо указывают место ниже четвёртого поколения. Вразрез заявлениям маркетологов. Изначально организация ITU-R признала технологию соответствующей, позже позицию пересмотрели.

LTE являются зарегистрированной торговой маркой ETSI. Ключевой идеей стало применение сигнальных процессоров и внедрение инновационных способов модуляции несущей. Была признана целесообразной IP-адресация абонентов. Интерфейс потерял обратную совместимость, частотный спектр очередной раз изменился. Первая сетка (2004) запущена японской компанией NTT DoCoMo. Москву выставочный вариант технологии настиг жарким маем 2010 года.

Повторяя опыт UMTS, разработчики внедрили два варианта воздушного протокола:

1. LTE-TDD. Временное деление каналов. Технология широко поддержана Китаем, Южной Кореей, Финляндией, Швейцарией. Наличие единственного частотного канала (1850..3800 МГц). Частично перекрывает WiMAX, возможен апгрейд.
2. LTE-FDD. Частотное деление каналов (отдельно нисходящий, восходящий).

Частотные планы 2 технологий различны, 90% конструкции ядра совпадает. Самсунг, Квалкомм производят телефоны, способные ловить оба протокола. Занимаемые диапазоны:

1. Северная Америка. 700, 750, 800, 850, 1900, 1700/2100, 2300, 2500, 2600 МГц.
2. Южная Америка. 2500 МГц.
3. Европа. 700, 800, 900, 1800, 2600 МГц.
4. Азия. 800, 1800, 2600 МГц.
5. Австралия, Новая Зеландия. 1800, 2300 МГц.

Россия

Российские операторы выбрали технологию LTE-FDD, используют частоты:

1. 800 МГц.
2. 1800 МГц.
3. 2600 МГц.

LTE-A – 4G

Частоты остались прежними (см. LTE). Хронология запусков:

1. 9 октября 2012 года у Yota появилось 11 базовых станций.
2. Мегафон 25 февраля 2014 года покрыл Садовое кольцо столицы.
3. Билайн с 5 августа 2014 года работает на частотах LTE 800, 2600 МГц.

Создание мобильных сетей поколения 2G, в основу которых легли цифровые стандарты, было обусловлено в первую очередь теми недостатками сетей первого поколения, которые не обеспечивали нормальную пропускную способность сети и высокий уровень защиты конфиденциальности разговоров. В связи с тем, что завоевывала все большую популярность, работа разработчиков приобрела направленность на усовершенствование пропускной емкости стандартов, а также на стандартизацию сети по всему миру, что позволило бы клиентам путешествовать по странам и за счет автоматического роуминга всегда оставаться на связи. Разработчики из стран Европы и Америки, которые трудились над созданием цифрового стандарта связи общемирового уровня, еще в начале 90-х годов пришли к выводу, что реализовать задуманное возможно только с помощью цифровых способов передачи аудиальной информации и управления связью.

В то время сети D-AMPS и CDMA из США, стандарт JDC из Японии и стандарт GSM глобального общеевропейского уровня – это четыре вида сетей поколения 2G, которые могли организовать сот радиусом до 30 км. Сейчас D-AMPS приходится туго и чтобы выдержать хоть как-то конкуренцию они вынуждены не только снижать тарифы, но и показывать те услуги, которые изначально не предполагались (например, голосовая почта, автодозвон и конференцсвязь, автоматическое определение номера, а также передача информации и выход в интернет).

CDMA пошел путем усовершенствования защиты конфиденциальности разговоров путем (происходило сжатие информации в цифровой системе кодирования речи), а также путем устранения проблемы двойников за счет присвоения идентификационного номера каждому телефону. Смена аппарата проходит при обязательном участии сотового оператора, поскольку информацию необходимо перезаписать, ведь список контактов и органайзер абонента хранится в памяти телефона. При сохранении прежних размеров сот количество звонящих одновременно абонентов увеличилось в соте до 1000. Телефоны с прежней инфраструктурой имеют небольшие размеры, хорошее качество звука, быстро передают информации (до 14,4 кбит/с) и мало расходуют энергию. В настоящее время распространены в Северной Америке и Корее. Есть в наличии и в России, но используются не широко и имеют ограниченный роуминг.

Стандарт связи 2G GSM

Наиболее популярной сегодня является мобильная связь стандарта GSM (Global System for Mobile Communications), созданная в 1991 году в Европе и получившая широкое распространение по всему миру. В целях массового применения и возможности модифицировать сеть без изменения базовых функций был учтен наработанный многими годами опыт в эксплуатации мобильных телефонов. Технические характеристики GSM соответствовали до 35 км по радиусу соты сети и до 1000 звонков одновременно, максимальная мощность телефонов в пределах 1В и до 20В в стационарной и автомобильной модификации. Мобильные терминалы характеризовались своей миниатюрностью и возможностью долго работать без подзарядки.

Особенностью стандартов связи 2G стало чистое звучание без помех, лишь незначительно искажающее тембр и интонацию, и небольшие проглатывания фрагментов слов при неустойчивости и помехах связи, а также при слабом сигнале. В то время это было большим достижением. В процессе разговора, когда абонент не говорил, а слушал собеседника, передатчик отключался цифровыми системами для экономии заряда аккумулятора и в целях не засорения эфира, в это время говорящий слышал искусственный шум, который не вызывал дискомфорта и был направлен на то, чтобы не создавать видимость отсутствия связи когда передатчик отключен. В целях защиты конфиденциальности разговоров алгоритмы шифрования имели сложный и закрытый характер, часто обновлялись и имели различные ключи при каждом соединении.

В введенном стандарте GSM 1800, в котором диапазон частот расширился и соты стали более мелкими, пропускная способность существенно увеличилась. На основе опыта его эксплуатации в больших городах стало видно, что, несмотря на тотальное использование мобильной связи, избегать перегрузки сети остается возможным. Используемые GSM во всем мире частоты соответствуют 900 и 1800 МГц, в США предоставленный операторам диапазон небольшой и составляет 1900 МГц (поэтому американский стандарт называется GSM 1900). Операторы CDMA и D-AMPS работают в таком же диапазоне. Выпускаемые сейчас телефоны работают во всех трех диапазонах GSM.

Потребность пользователей в быстрой передачи информации и удобной работе в интернете все больше подталкивали к необходимости создания нового стандарта связи, что подтолкнуло к разработке и созданию технологии GPRS, ставшей надстройкой над стандартом GSM. Она позволяла достигать скорости 40,2 кбит/с на прием.

Важным достижением телефонов стандарта GSM стала привязка номера и телефонной книжки не к самому аппарату, а к SIM-карте (Subscribe Identity Module), которую можно переставлять из одного телефона в другой, при этом собственный номер и контакты переносятся автоматически. Карта позволяет оператору идентифицировать абонента и хранить в памяти до 255 контактных номеров.

Предоставляемые услуги операторами сетей GSM имеют широкий спектр и позволяют пользоваться конференцсвязью, переадресацией звонков, включать и прослушивать голосовые соединения, отправлять и получать SMS, непосредственно с телефона выходить в интернет через WAP-браузер, пользоваться информационными услугами (такими, как получение информации о погоде, ценах, необходимых адресах и телефонах), а также передавать информацию и факсы, и др.

Строение структуры сетей GSM включает в себя системы коммутации и базовых станции и телефоны абонентов (MS).

Система коммутации Network Switching System (NSS) направлена на предоставление услуг клиентам, обслуживание вызовов и коммутацию соединений. Она состоит из:

Центра коммутации сотовой связи (MSC), работа которого направлена на установку соединений между пользователями сети, мобильными и стационарными сетями; MSC – главный элемент сети GSM, поскольку предназначен контролировать работу BTS и BSC в пределах территории обслуживания;
- домашнего регистра местоположения (HLR), который обеспечивает хранение информации об абонентах (местоположение, перечень подключенных услуг и др.), относящихся к данному MSC;
- визитного регистра местоположения (VLR), содержащего информацию об активных абонентах зоны обслуживания конкретного MSC (данные о домашних и гостевых абонентах данного MSC) и получающего информацию от HLR;
- центра аутентификации (AUC), служащего источником идентификации абонентов и направленного на предотвращение официально неразрешенного доступа в сеть, который на основе имеющейся информации от AUC и MS начинает процедуру аутентификации каждый раз при пользовании телефоном, осуществлении звонка или отправке SMS;
- регистра идентификации абонентского оборудования (EIR), который является необязательным элементом, и поэтому присутствует не во всех сетях. Тем не менее, он является базой данных, в которой хранится и находится под защитой информация мобильных терминалов об идентификационных номерах, которая используется для того, чтобы заблокировать украденные или потерянные телефоны.

Система базовых станций Base Station System (BSS) осуществляет функции радиоинтерфейса и включает в себя два блока:

Контроллер базовых станций (BSC), являющийся коммутатором большой емкости, осуществляет управление за такими функциями радиоканалов GSM, как назначение радиоканала, нахождение информации об особенностях конфигурации сот и процессе передачи между базовыми станциями сессии пользователя;
- базовую станцию (BTS), управляющую радиосвязью с телефоном абонента и состоящую из необходимых для обслуживания каждой соты приемо-передатчиков и антенн.

В технологии GPRS стандарта GSM дополнительно включаются:

Узел обслуживания абонентов GPRS (SGSN) - является маршрутизатором, устанавливающим сессии передачи информации пакетным способом и осуществляет контроль над движением пакетов и начислением за уже предоставленные услуги платы; пакетные данные направляются в сторону SGSN от базовых станций;
- шлюзовой узел GPRS (GGSN), который наиболее часто объединяется в устройстве вместе с SGSN, является шлюзом сети, направляющим данные за пределы сети оператора.

Преимуществами сетей поколения 2G стало цифровое шифрование разговоров, большая эффективность самой системы по сравнению с предыдущим поколением и появление возможности отправлять текстовые и мультимедийные сообщения, а также сообщения с изображениями. Благодаря цифровому шифрованию технология 2G стала безопасней как для отправителя, так и для получателя.

Сотовая совершенствуется рывками. Переход от одной технологии к другой свидетельствует о вводе нового поколения. Именно поэтому, если упрощать, стандарты называются 1G, 2G, 3G и так далее - буква «g» в данном случае происходит от слова «generation». Давайте же постараемся понять, как развивалась мобильная связь. Заодно мы выясним, почему операторы не отказываются от поддержки старых стандартов.

Сейчас самое первое поколение сотовой связи принято называть 1G . Но в годы действия этих сетей никто о таком понятии не подозревал, тогда многие люди не думали о том, что в ближайшем будущем сотовая связь станет совсем другой. Итак, что же представляло собой первое поколение?

Фактически это была аналоговая связь. Её запуск был осуществлён компанией AT&T , а первый звонок состоялся 3 апреля 1973 года - его совершил Мартин Купер, являвшийся главой мобильного подразделения . Как и в случае со стационарной аналоговой связью, теоретически сотовый телефон можно было задействовать в качестве модема. Но решиться на это мог только какой-нибудь миллионер, ведь минута разговора в те времена стоила огромных денег.

Как и в случае с последующими поколениями, 1G - это лишь название, объединяющее под собой несколько разных стандартов. В Канаде, США, Австралии, а также Южной и Центральной Америке применялся стандарт AMPS . В странах Скандинавии и некоторых государствах получил распространение стандарт NMT и его разновидности. Ну а в Италии, Испании, Англии, Австрии, Ирландии и Японии применялось сотовое оборудование стандарта TACS . И это только три самых популярных варианта реализации сетей! Все эти стандарты были совершенно несовместимы друг с другом. Поэтому британец, приехавший в Америку, не мог разговаривать по своему собственному телефону. Друг от друга разные стандарты отличались не только диапазоном частот, но и радиусом соты, мощностью передатчика, временем переключения на границе соты и соотношением сигнала к шуму. Подробнее со всеми спецификациями вы можете ознакомиться в прилагающейся табличке.

Обычным людям сотовая связь первого поколения стала доступной далеко не сразу. Первое десятилетие некоторые компании занимались только экспериментами. Коммерческая реализация произошла только в 1984 году. Достаточно быстро стало ясно, что аналоговая сотовая связь имеет ряд недостатков. Во-первых, каждая сота имела малую ёмкость - при подключении к ней большого количества абонентов начинались серьезные проблемы. Во-вторых, качество сигнала было далеко от идеала, особенно если абонент находился не на улице, а в здании. Первыми об этих проблемах задумались европейцы. Они начали разрабатывать цифровую связь.

Второе поколение сотовой связи

В 1982 году Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств начала разрабатывать стандарт GSM . Вскоре его начали называть 2G-связью. Изначально GSM предназначался для стран-членов Европейского института стандартов в телекоммуникации. Но позже разработкой заинтересовались Средний Восток, Африка, Азия и Восточная Европа. Коммерческий релиз сетей стандарта GSM состоялся в 1991 году. Цифровой метод передачи данных позволял абонентам обмениваться SMS-сообщениями. А чуть позже им стал доступен выход в Интернет через протокол WAP .

Этот стандарт покорил не всех. Некоторые государства пошли по своему пути. Например, в США многие 2G-сети использовали стандарт D-AMPS . Лишь спустя какое-то время американцы перешли на GSM1900 . А в некоторых странах надолго завоевал популярность стандарт CDMA . Он не был совместим с GSM, поэтому под него разрабатывались отдельные мобильные телефоны.

Постепенно на прилавках магазинов стало появляться всё большее количество портативных устройств, умеющих выходить в глобальную паутину. В связи с этим сотовым операторам нужно было что-то делать, так как в 2G остро не хватало скорости передачи данных. Поэтому вскоре появилось промежуточное поколение сотовой связи, которое принято называть 2, . В этот стандарт внедрили поддержку технологии GPRS , а затем и EDGE . Отныне мобильным телефоном осуществлялась пакетная передача данных - абонент платил за конкретный объем трафика, а не за время соединения с сервером. Это не только сэкономило людям деньги, но и увеличило скорость передачи и приема данных. В 2G-сетях этот параметр равнялся 9,6 Кбит/с, тогда как поддержка телефоном поколения 2,5G позволяла выходить в интернет на скорости до 170 Кбит/с (GPRS) или даже 384 Кбит/с (EDGE). В некоторых странах эти две технологии называли совершенно по-разному, но суть от этого не менялась.

Выше вы видите табличку, в которой указаны конкретные отличия всех стандартов, принадлежащих к поколениям 2G и 2,5G.

Третье поколение сотовой связи

В IMT-2000 (так принято называть 3G в профессиональной среде) входят пять стандартов: CDMA2000 , W-CDMA , TD-CDMA/TD-SCDMA и DECT . Последний не является стандартом сотовой связи, так как он используется в домашней и офисной беспроводной телефонии. Остальные стандарты применяются для обеспечения связью владельцев мобильных телефонов. Все они имеют похожие спецификации. Интересно, что метод работы таких сетей был изобретён в СССР ещё в 1935 году. Однако долгое время данной технологией пользовались лишь военные. В гражданский сегмент она вышла только в середине 1980-ых годов, в силу необходимости развивать мобильную связь.

От 2G третье поколение в первую очередь отличалось повысившейся скоростью передачи данных. Если абонент стоит на месте, то он может скачивать данные на скорости около 2 Мбит/с. При неспешном шаге трафик загружается со скоростью примерно 384 Кбит/с. В транспортном средстве скорость падала ещё сильнее - до 144 Кбит/с.

С появлением смартфонов стало мало и вышеуказанных скоростей. Поэтому достаточно быстро стал популярным стандарт HSPA . Он ознаменовал собой приход поколения 3,5G. Наделенные его поддержкой сотовые телефоны научились передавать данные со скоростью 14,4 Мбит/с. И это было только начало! В дальнейшем стандарт совершенствовался, в результате чего теоретически оказалась достижима скорость 84 Мбит/с. В основе HSPA заложена многокодовая передача данных при сопоставимых размерах сот.

Четвертое поколение сотовой связи

В конце 2000-ых годов на свет стали появляться «айфоны» и «андроиды». Эти смартфоны отличались от предшественников крупным ЖК-дисплеем. Теперь уже никому не хотелось просматривать скромные WAP-странички. Отныне встроенных комплектующих вполне хватало для того, чтобы браузер без каких-либо проблем отображал полноценную страницу, насколько бы тяжелой она не было. Но для её быстрой загрузки требуется высокая скорость. Обеспечить её мог только совершенно новый стандарт. Активная популяризация 4G, или IMT-Advanced , началась в марте 2008 года.

Результатом работы ученых стали два стандарта: WiMAX и LTE . Сейчас вы сами знаете о том, какой из них получил наибольшее распространение. Внедрение LTE позволило существенно увеличить емкость каждой соты, хотя ареал её действия при этом уменьшился. Теперь минимальная скорость передачи данных составляла 100 Мбит/с, чего хватает большинству среднестатистических владельцев смартфон. В дальнейшем этот параметр вырос ещё сильнее. Случилось это за счет реализации технологии LTE-Advanced . В зависимости от категории поддерживаемой аппаратом технологии, может достигаться скорость 400 Мбит/с или даже 1 Гбит/с!

В отличие от предыдущих поколений, стандарт LTE изначально предназначался только для пакетной передачи данных. Но со временем стала доступной и цифровая передача голоса - за это ответственна технология . Качество звука при этом гораздо выше, нежели при разговоре посредством сетей 2G или 3G. Однако до сих пор эту технологию поддерживают далеко не все смартфоны.

Пятое поколение сотовой связи

Сейчас идет активная разработка 5G. Возможностей LTE в плане передачи данных вполне хватает. Поэтому при разработке нового стандарта наибольший упор делается на ёмкость сот. Ведь количество абонентов растёт всё сильнее. Больше всего 5G облегчит жизнь создателям носимых устройств и девайсов, объединяющихся в систему «Умный дом». Ожидается, что только на площади в 1 км 2 будет возможно подключение к сети одного миллиона гаджетов! По состоянию на начало 2017 года новое поколение только тестируется. Когда нас ждет полноценная его эксплуатация - не ясно.

Поддержка старых стандартов

Как известно, сотовым операторам приходится размещать на своих вышках гору оборудования. В теории можно было бы заменить 2G-передатчики на 3G-передатчики. Но сделать это - значит лишить связи владельцев мобильных телефонов, работающих только в стандарте GSM. Это привело бы к огромным убыткам, так как даже сейчас подобными аппаратами пользуется огромное число людей - все они тут же перешли бы к другому оператору. Вот и получается, что оборудование приходится дополнять, а не менять.

В обозримом будущем отказа от устаревших стандартов не случится. Объясняется это двумя причинами:

• до сих пор производятся, а они зачастую не поддерживают даже 3G, не говоря уже о сетях четвертого поколения;
• 2G-оборудование покрывает сетью более обширную территорию, нежели 3G- или 4G-передатчики аналогичной мощности - это позволяет избавить определенную территорию от «белых пятен».

Теперь вы знаете об основных отличиях разных стандартов. Если вкратце, то в первую очередь изменению подвергались ёмкость сот, ширина покрытия (каждый раз в меньшую сторону, так как таковы законы более высокочастотных сигналов) и скорость передачи данных.