Сравнительный анализ сотовых связей: 2g, 3g, 4g

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.

Первое поколение мобильной связи (1G)

Официальным днем рождения сотовой связи считается 3 апреля 1973 года, когда глава подразделения мобильной связи компании Motorola Мартин Купер позвонил начальнику исследовательского отдела AT&T Bell Labs Джоэлю Энгелю, находясь на оживленной Нью-йоркской улице. Именно эти две компании стояли у истоков мобильной телефонии. Коммерческую реализацию данная технология получила 11 лет спустя, в 1984 году, в виде мобильных сетей первого поколения (1G), которые были основаны на аналоговом способе передачи информации.

Основными стандартами аналоговой мобильной связи стали AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная подвижная телефонная служба) (США, Канада, Центральная и Южная Америка, Австралия), TACS (Total Access Communications System — тотальная система доступа к связи) (Англия, Италия, Испания, Австрия, Ирландия, Япония) и NMT (Nordic Mobile Telephone – северный мобильный телефон) (страны Скандинавии и ряд других стран). Были и другие стандарты аналоговой мобильной связи – С-450 в Германии и Португалии, RTMS (Radio Telephone Mobile System – радиотелефонная мобильная система) в Италии, Radiocom 2000 во Франции. В целом мобильная связь первого поколения представляла собой лоскутное одеяло несовместимых между собой стандартов.

 Табл. 1 Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи

Во времена 1G никто не думал об услугах передачи данных – это были аналоговые системы, задуманные и разработанные исключительно для осуществления голосовых вызовов и некоторых других скромных возможностей. Модемы существовали, однако из-за того, что беспроводная связь более подвержена шумам и искажениям, чем обычная проводная, скорость передачи данных была невероятно низкой. К тому же, стоимость минуты разговора в 80-х была такой высокой, что мобильный телефон мог считаться роскошью.

Во всех аналоговых стандартах применяется частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления. Этот способ имеет ряд существенных недостатков: возможность прослушивания разговоров другими абонентами, отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов. Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот — применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access — FDMA). С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем — относительно низкая емкость, являющаяся следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.

В каждой стране была разработана собственная система, несовместимая с остальными с точки зрения оборудования и функционирования. Это привело к тому, что возникла необходимость в создании общей европейской системы подвижной связи с высокой пропускной способностью и зоной покрытия всей европейской территории. Последнее означало, что одни и те же мобильные телефоны могли использоваться во всех Европейских странах, и что входящие вызовы должны были автоматически направляться в мобильный телефон независимо от местонахождения пользователя (автоматический роуминг). Кроме того, ожидалось, что единый Европейский рынок с общими стандартами приведет к удешевлению пользовательского оборудования и сетевых элементов независимо от производителя.

EPC

Основные сетевые элементы EPC включают:: MME, HSS, S-GW и P-GW.

MME

MME (Mobility Management Entity, Mobility Management Entity) — ключевой управляющий узел E-UTRAN, отвечающий за отслеживание UE и управление поисковым вызовом, включая регистрацию и отмену регистрации UE, и в то же время помогающий UE выбрать S-GW для завершения EPC опорная сеть Коммутация узлов.

MME выполняет функцию аутентификации пользователя посредством обмена информацией с HSS (домашним сервером пользователя). MME — это конечная точка сигнализации уровня без доступа (NAS), которая отвечает за генерацию и выделение временного ID UE. Он определяет, может ли UE пользоваться услугами поставщика услуг посредством аутентификации, и накладывает ограничения на роуминг для UE. MME — это сетевой узел, который обеспечивает шифрование / защиту целостности для сигнализации NAS и отвечает за управление ключами безопасности. MME также поддерживает законный мониторинг сигнализации. MME также обеспечивает управление мобильностью для передачи обслуживания между сетями доступа LTE и 2G / 3G через сигнализацию порта S3. Для перемещаемых UE MME завершает связь с HSS через интерфейс S6a.

Список функций MME：

• Управление мобильностью
• Управление сессией
• Аутентификация пользователей и управление ключами
• Законный мониторинг
• Шифрование и защита целостности сигнализации уровня NAS
• Управление списком ТА
• Выбор P-GW / S-GW

S-GW

S-GW (обслуживающий шлюз) отвечает за маршрутизацию и пересылку пакетов пользовательских данных. Когда UE осуществляет ретрансляцию (передачу обслуживания) между eNodeB или перемещается между LTE и другими радиотехнологиями 3GPP (RAT, технология радиодоступа), S-GW является точкой привязки данных его пользовательской плоскости (независимо от того, как перемещается UE, он может be Найти контекст UE через точку привязки), оно связывается с SGSN системы 2G / 3G через интерфейс S4. Для UE в состоянии ожидания S-GW является концом тракта данных нисходящей линии связи и запускает пейджинг в UE, когда прибывают данные нисходящей линии связи. S-GW управляет и сохраняет контекст (контекст) UE, который включает в себя параметры IP-канала-носителя (Bearer), предоставленного для UE, и информацию о маршрутизации в сети. Если используется законная функция мониторинга, она также копирует данные, переданные пользователем.

Список функций SGW：

• Функция маршрутизации и пересылки пакетов
• Сжатие IP-заголовка
• Конечная точка состояния IDLE, буфер данных в нисходящем направлении
• Якорная точка для передачи обслуживания между eNB
• Тарификация на основе пользователей и носителей
• Оптимизация маршрута и функция реализации QoS и стратегии тарификации в роуминге пользователей

P-GW

P-GW (сетевой шлюз пакетной передачи данных, шлюз PDN, шлюз коммутации пакетных данных, сетевой шлюз IP) обеспечивает интерфейсную передачу между UE и внешней точкой подключения PDN. UE может получить доступ к нескольким PDN через несколько P-GW одновременно. P-GW реализует командное управление, фильтрацию пакетов данных каждого пользователя, поддержку биллинга, легальный перехват и фильтрацию пакетов данных. Другая ключевая роль P-GW — это базовый компонент обмена данными, осуществляющий обмен данными между сетями 3GPP и не-3GPP, например: обмен данными между сетями WiMAX и 3GPP2 (CDMA1X и EVDO).

Список функций PGW：

• Функция маршрутизации и пересылки пакетов
• Назначение IP-адреса UE, доступ к функции внешнего шлюза PDN
• Функции применения политики биллинга и QoS
• Законный мониторинг
• Биллинг для бизнеса

HSS

HSS (Home Subscriber Server) — это центральная база данных, содержащая информацию о пользователях и подписках. Функция HSS основана на регистре домашнего местоположения (сетевой элемент подсистемы сетевой коммутации стандартов 2G и 3G) и центре аутентификации (AUC).

Список функций HSS：

• Управление мобильностью
• Поддержка вызова и установления сеанса
• Параметры аутентификации, аутентификация пользователя и авторизация доступа.
• Хранение данных пользовательского договора
• QoS / APN пользователя
• Тип PDN (IPv4 / v6 / DS)

Обзор стека протоколов LTE / EPC

Полный стек протоколов LTE / EPC показан на рисунке ниже, который объединяет стек протоколов E-UTRAN (сеть доступа) и стек протоколов TCP / IP (базовая сеть).。

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.

Пятое поколение мобильной связи (5G)

В настоящее время ведутся предкоммерческие и коммерческие запуски сетей 5G. 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.

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».

Канал о технологиях и известных людях в телекоме и ИТ «ТНД». Подписывайтесь!

Международный Съезд ведущих специалистов отрасли телекоммуникаций TELECOMTREND

Расчет скорости в LTE

Официальная группа портала 1234G.ru вконтакте. Присоединяйтесь!

{jcomments on}

Чем отличается HSPA от HSPA+?

Сегодня сотовые операторы предлагают услугу HSPA+, являющуюся усовершенствованным стандартом HSPA. Она позволяет пользоваться интернетом на скорости 42,2 Мбит/с.

Как пользоваться HSPA (High Speed Packet Access):

1. Проверьте поддержку соответствующей технологии в телефоне. Для этого воспользуйтесь инструкцией эксплуатации, где перечислены поддерживаемые устройством стандарты связи.
2. Купите SIM-карту мобильного оператора, который предоставляет высокоскоростной мобильный интернет, и подключите выгодный тариф.
3. Пополните счет на необходимую сумму, чтобы подключить выбранный тарифный план и пользоваться скоростным интернетом.
4. Получите параметры конфигурации на смартфон через SMS-сообщение (обычно приходит автоматически). Также можно воспользоваться личным кабинетом, чтобы самостоятельно внести необходимые настройки в память мобильного устройства.
5. Запустите браузер и подождите, пока телефон подключиться к интернету. Обычно подключение занимает несколько секунд. После успешной установки связи можно будет посещать любые сайты, загружать файлы или просматривать онлайн видео. Рекомендуется контролировать потребление трафика, чтобы не превысить оператором лимит и не повлечь непреднамеренные денежные расходы.

Если HSPA работает плохо, рекомендуется выйти на открытое пространство. Работе интернета могут препятствовать железобетонные конструкции или аналогичные преграды.

Скорость и характеристики HSPA

Мобильный интернет всегда пользовался большой востребованностью. Первые телефоны с поддержкой GPRS позволяли пользователям просматривать специально подготовленные WAP-сайты. Со временем операторы улучшили технологии передачи данных, создав стандарт EDGE. Он принадлежал ко второму поколению и обладал максимальной скоростью 474 кбит/c.

Третье поколение связи послужило началом скоростного мобильного интернета. Оно объединяет стандарты HSPA и HSPA+. После создания нового стандарта пользователи получили возможность комфортно посещать сайты, загружать файлы большого объема и просматривать потоковое видео. Также начали развиваться видеозвонки.

Сегодня интернет HSPA (High Speed Packet Access) присутствует в каждом современном смартфоне и доступен для быстрого подключения. Для этого нужно проверить, поддерживает ли оператор связи стандарт 3G, и посмотреть покрытие сети в нужном населенном пункте.

Преимущества HSPA:

• Большая скорость передачи информации, способная достигать 14,4 Мбит/c (при соблюдении идеальных условий).
• Возможность посещения компьютерных сайтов, просмотра видео, загрузки файлов большого объема.
• Выгодная цена подключения у большинства мобильных операторов, наличие пакетов трафика или безлимитного доступа.

Недостатки:

• Отсутствие покрытия в небольших населенных пунктах — даже если смартфон поддерживает HSPA, воспользоваться интернетом не получится.
• Высокая нагрузка на модуль радиосвязи, быстро разряжающая аккумулятор мобильного устройства (относительно).

История сотовой связи

Эволюция систем сотовой связи включает в себя несколько поколений 1G, 2G, 3G и 4G. Ведутся работы в области создания сетей мобильной связи нового пятого поколения (5G). 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.

Отличия поколений мобильной связи

Существуют 5 поколений стандартов сотовой связи:

• 1G, где реализованы стандарты AMPS, TACS, NMT;
• 2G (TDMA, CDMA, GSM, PDC), затем GPRS, EDGE;
• 3G (WCDMA, CDMA2000, UMTS), и HSDPA, HSUPA, HSPA, HSPA+;
• 4G и 5G по стандартам: LTE-Advanced, WiMax Release 2, WirelessMAN-Advanced.

1G

Системы I го поколения были впервые применены в 1981 г. Они являлись аналоговыми, при этом реализовывались посредством сетей повышенной надежности. К недостаткам относилась ограниченность количества предлагаемых услуг. Также совершать звонки можно было только абонентам конкретного оператора. Невозможно было проводить межсетевой роуминг, и пользователям с 1 SIM-картой не предоставлялись опции для общения в сетях разных сотовых компаний. К ним причисляют такие системы как: AMPS и NMT. В дальнейшем они были почти на 100% заменены стандартом GSM. Главным недостатком 1G является легкость прослушивания каналов. Также к этим факторам относят малую емкость и скорость отправки информации (до 1,9 Кбит/с), большой радиус действия (около 30 км), что в условиях крупного города усложняет процедуру переиспользования частотных диапазонов.

2G

II поколение коммуникационных систем ознаменовано маркировкой 2G в 1991 г. Они уже не аналоговые, а работают по цифровым стандартам. Они предоставили значительные новшества, что позволило расширить перечень услуг, предлагаемых для абонентов. Также возросли емкости и качество связи. К самым широко применяемым вариациям относят GSM, которые первоначально назывались как Groupe Special Mobile, а затем были переименованы в аббревиатуру GSMC. Это сокращенный набор символов расшифровывается как Global System for Mobile Communications, что в переводе означает глобальная система мобильной связи. Возрастание необходимости среди пользователей в беспроводном интернет соединении привела к модернизации и появлению в начале 2000 г версии 2.5G. На базе этого была реализована пакетная передача данных в формате GPRS, которая на русском языке расшифровывается как «пакетная радиосвязь общего пользования». Эта базовая беспроводная технология взаимообмена цифровыми данными, предоставляла возможность применять сотовый телефон с простым интерфейсом для доступа в Интернет. Немного позднее проведена интеграция новинки EDGE, позволившей нарастить показатели скорости взаимообмена данными уже до сотен Кбит/с, а не пары пунктов как в первоначальном виде. В отличие от начального 1G формата стала доступна служба коротких сообщений или SMS. Такой трехдиапазонный вид предоставляемых услуг 2G был востребован в течение многих лет.

3G

Потребность в более скоростном интернете – привела к развитию систем III поколения с маркировкой 3G. Этот этап начался в 1999 г., когда коммуникационные беспроводные каналы обеспечили голосовое общение, обмен мультимедийными сообщениями MMS в добавок к стандартным SMS. Выросла емкость и пропускная способность радиоканалов. Беспроводные технологии этого типа были реализованы во многих странах планеты. Примером реализации усовершенствованного варианта стал универсальный стандарт UMTS. В отличие от предшественника отправка и получение данных выполняются не в килобитах, а в мегабитах в секунду. А фактические параметры составляют около 2 Мбит/с. Внедрение HSDPA (3.5G) способствовало получению и отправке файлов объемом до 14 Мбит в секунду. Кроме того, это предоставило возможность смотреть стриминговые видеотрансляции, видеоролики в HD, пользоваться онлайновыми версиями игр, и скачивать большие файлы.

4G

Стандарт 4-го поколения повсеместно начали применять с 2008-2010 годов. Он выделяется среди прочих IP-ориентированностью передачи данных, и поддержкой высокоскоростного интернет-трафика до сотен Мбит/сек. Информация, как и в предыдущих версиях поступает на устройства пакетами. Однако, улучшенные стандарты такие, как LTE-Advanced, WiMax Release 2 (IEEE 802.16m), WirelessMAN-Advanced снизили энергопотребление беспроводных технологий, и повысили емкость сетей.

5G

Сотовые сети пятого поколения предполагают внедрение улучшенных параметров обмена цифровыми файлами. Что будет означать также и возрастание скорости отправки и получения информации до 1-6,5 Гбит/с. Также преимущество последующих поколений сетей это высокая энергетическая эффективность, т.е. снижение потребления электроэнергии для мобильного оборудования.