САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.
| Институт электронной техники и приборостроения | |
| Направление | Инфокоммуникационные технологии и системы связи |
| Профиль | Системы мобильной связи |
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Информационные технологии в системах мобильной»
| Мобильные системы связи |
| (тема) |
| Работу выполнил студент | Макаров Сергей Михайлович ИнЭТиП, б1-ИКТСипу-41 Номер зачетной книжки 182890 |
| Руководитель работы | к.ф.-м.н., доцент каф. РТ Дорошенко В.М. |
Оценка работы ____________________
Подписи членов комиссии
_____________________ Балакин М.И.
_____________________ Дорошенко В.М.
Саратов – 2022
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ ГАГАРИНА Ю.А.
Кафедра «Радиоэлектроника и телекоммуникации»
ЗАДАНИЕ
На курсовую работу
По дисциплине «Информационные технологии в системах мобильной»
Студенту учебной группы б1-ИКТСипу-41 Института ЭТиП
Макарову Сергею Михайловичу
ТЕМА РАБОТЫ
Мобильные системы связи
Начало проектирования «15» января 2022 г.
Дата сдачи на проверку «25» января 2022 г.
Оценка защиты _______________
к.ф.-м.н., доцент Дорошенко В.М.
Содержание
Введение……………………………………………………………………....…3
1. Мобильные сети второго поколения…………………………………...…4
1.1 GSM…………………………………………………………………………4
1.1.1 Структура сети GSM…………………………………………………….4
1.1.2 Характеристика…………………………………………………………..6
1.2 GPRS…………………………………………………………………………7
1.3 EDGE ……………………………………………………………………….10
1.4 CDMA……………………………………………………………………….12
2. Сети мобильной связи третьего и четвертого поколения…………….14
2.1 Сети третьего поколения…………………………………………………14
2.1.1 UMTS……………………………………………………………………...14
2.1.2 HSPA………………………………………………………………………19
2.1.3 CDMA2000………………………………………………………………..22
2.2 Сети мобильной связи четвертого поколения………………………...29
2.2.1 LTEиLTE-Advanced……………………………………………………29
2.2.2 WiMAX…………………...……………………………………………… 35
Заключение…………………………………………………………………….40
Список используемой литературы………………………………………….42
Введение
В последние годы мобильная связь очень быстро развивается. Вскоре количество пользователей мобильной связи может превзойти количество пользователей стационарной связи. Рост числа абонентов систем мобильной связи зависитот предоставления услуг с качеством и составом не хуже, чем в сетях фиксированной связи. Вперед выдвигаются сами услуги связи, а не телекоммуникационные технологии.
В функциональный набор сотовой связи включается: регистрация абонента, установление вызова, передача информации между мобильным телефоном и базовой станцией по радиоканалу, процедура установления вызова между абонентами, роуминг в других сетях, а также набор услуг, предоставляемых абоненту. Эволюция систем сотовой связи включает первое, второе, третье и четвёртое поколение. На мировом рынке постоянно появляются прогрессивные технологии и стандарты.
Целью данной работы является рассмотрение систем мобильной связи второго, третьего и четвертого поколений. В ходе достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1 Дать характеристику сетям мобильной связи второго, третьего и четвертого поколений.
2 Изучить структуру сетей мобильной связи второго, третьего и четвертого поколений.
3 Рассмотреть физический уровень, частотный диапазон и способы кодировки сетей мобильной связи второго, третьего и четвертого поколений.
Мобильные сети второго поколения
GSM
Структура сети GSM
Сеть GSMсостоит из трех частей, такие как мобильные станции (MS), они перемещаются вместе с абонентом,подсистема базовых станций (БС), она управляет радиолинией связи вместе с мобильной станцией, и подсистема коммутаций (ПК), главной частью которой считается центр коммутации мобильной связи (ЦКМС) что показано на рисунке 1.
В мобильную станциювходит подвижная аппаратура, он же мобильный терминал, и карты с интегральной схемой, включающая микропроцессор, название которой модуль абонентской идентификации, или SIM (SubscriberIdentificationModule), которая содержит международный идентификационный номер (IMSI – internationalmobilesubscriberidentity), так же персональный идентификационный номер (PIN), персональный код разблокировки (PUK), и другую информацию (в частности SIM-карта может хранить данные, как электронная записная книга).SIM-карта при перемещении обеспечивает доступ пользователя к оплаченным услугам, не зависимо от применяемого терминала. Переставляя SIM-карту в другой терминал, пользователь имеет возможность принимать вызовы и делать вызовы с этого терминала, а также получать остальные услуги.Любая мобильная станция имеет уникальный международный идентификатор мобильного оборудования (IMEI – internationalmobileequipmentidentity). Так как IMEI и IMSI не связаны друг с другом, это позволяет использовать разныеSIM-карты в одном мобильном терминале либо одну SIM-карту на различных мобильных терминалах. МС и БС станций связываются по "Воздушному интерфейсу" или радиолиния связи.
Подсистема базовых станций состоит из двух видов оборудования: трансивер базовой станции (BTS) и контроллер базовой станции (BSC). Они взаимодействуют через стандартизированный Abisинтерфейс. На BTSрасполагается приемопередатчик,который определяет размер ячейки и управляет протоколами обмена с мобильной станцией. Главные требования к BTS являются прочность, портативность, низкая стоимость и надежность, по причине размещения огромной численностиBTS в городе. BSC управляет радиоресурсами одной или нескольких BTS. Он управляет выбором и установлением соединения по радиоканалу, смену частоты и процесс смены канала или ячейки.связь мобильный диапазон
Центр коммутации мобильной связи выполняет коммутацию между мобильными станциями, а также между мобильными или стационарными сетевыми пользователями и может управлять мобильностью.ЦКМС способенсформировать данные для выписки счетов за предоставленные сетью услуги связи, накапливаетсведенья по уже состоявшимся разговорам и передает их в центр расчетов. Домашний регистр местоположения (HLR) и визитный регистр местоположения (VLR) обеспечивают маршрутизацию и возможность перемещения абонентов по сети.HLR содержит в себе информацию о каждом из абонентов, зарегистрировавшегося в соответствующей сети, и информацию о текущем местоположении. В VLR содержатся данные об абонентах, которые находятся только на его территории, а если абонент покидает зону действия одного VLR, информация о абоненте копируется в новый VLR, а из старого удаляется. Для защиты и аутентификации применяются два элемента, регистр идентификации оборудования (EIR) и центр аутентификации (AuC). EIR включает в себя список доступного для обслуживания подвижного оборудования.AuC является базой данных с высокой степенью защиты, хранящую копию ключа шифрования, хранящихся в SIM-карте каждого абонента, и используется для авторизации доступа абонента и шифрования при передаче по радио каналу.
Характеристика
Стандарт GSM предусматривает работу в двух диапазонах частот таких, как 900 и 1800 Мгц. В России и Европе действует диапазон 900 МГц и мобильный телефон передает в полосе 890 – 915 МГц для прямого канала, и 935 – 960 МГц для обратного канала. Для GSM-1800 это 1710 1785 для прямого и 1805 – 1880 для обратного соответственно. 45 МГц составляет разнос по частоте прямого и обратного канала (дуплексный разнос). 200 кГц разнос между соседними каналами. Таким образом, в полосе частот шириной 25 МГц, отведенной для приема или передачи, размещаются 124 канала связи. Что бы разместить на одном частотном канале 8 физических каналов используется многостанционный доступ с временным разделением.
Система прерывистой передачи данных DTX обеспечивает включение передатчика только во время разговора и на ее основе осуществляется обработка речи. Кодек RPE/LTP-LPC с регулярным импульсным возбуждением и скорость преобразования речи 13 кбит/с используется для преобразования речевых сигналов.
В GSM применяется блочное и сеточное кодирование с перемежением для защиты от ошибок, возникающих в радиоканалах. Медленное переключение рабочих частот в процессе связи повышает эффективность кодирования и перемежения (217 скачков в секунду).
Система синхронизации рассчитана на компенсацию абсолютного времени задержки сигналов, до 233 мкс, что соответствует максимальному радиусу соты, 35 км.
Спектрально эффективная гауссовская частотная манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK) используется для модуляции сигнала. Все основные характеристики приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные характеристики GSM[1]
| Частотный диапазон прямого канала, МГц | 935 – 960 (1805 – 1880) |
| Частотный диапазон обратного канала, МГц | 890 – 915 (1710 – 1785) |
| Дуплексный разнос частот приему и передачи, МГц | |
| Скорость передачи сообщения в радиоканале, кбит/с | 270,833 |
| Скорость преобразования речевого кодека, кбит/с | |
| Ширина полосы каналов связи, кГц | |
| Максимальное число каналов связи | 124 (374) |
| Максимальное число каналов, организуемых в БС | 16-20 |
| Вид модуляции | GMSK |
| Нормированная полоса | 0,3 |
| Ширина полосы гауссовского фильтра, кГц | 81,2 |
| Количество скачком по частоте в секунду | |
| Временное разнесение в интервалах TDMA кадра (передача/прием) | |
| Вид речевого кодека | RPE/LTP-LPC |
| Максимальный радиус соты, км | |
| Вид множественного доступа | TDMA/FDMA |
GPRS
Система GPRS обеспечивает сквозную передачу данных в пакетном режиме по IP-протоколу с увеличением скорости передачи до 115.2 кбит/с.
Служба GPRS не требует кардинальной модернизации, т.к. надстраивается над существующей сетью GSM, относительно новейших многофункциональных способностей и конфигурации принципа сопряжения с наружными сетями, то, на самом деле, они считаются не более чем расширением имеющейся сети GSM.
C системных позиций введения GPRS связано с добавлением в уже имеющуюся сеть GSM как минимум двух базовых узлов для поддержки службы пакетной передачи данных.Это сервисный узел (SGSN) и шлюзовой узел (GGSN). Помимо этого, необходима модернизация контроллеров базовых станций (BSC) и доработка программного обеспечения.На рисунке 2 и в таблице 1 показана структура сети.
Управление мобильностью для всех абонентов, находящихся в зоне обслуживания, маршрутизацию пакетов, аутентификацию и шифрование обеспечивает сервисный узел SGSN. На более высоком уровне он поддерживает функции аналогичные функция MSC/VLR. Из узла SGSN исходящий трафик перенаправляется на BSC, а от него на мобильные станции.
Через узел GGSN реализуется связь сети GSM с внешними сетями передачи данных по протоколам X.25 и IP, он играет роль шлюза между SGSN и PDN. Узел GGSN перенаправляет пакеты данных поступающие из внешней сети PDN в узлы SGSN, а от них по радиоканалу пакеты поступают к мобильным терминалам. В оборудовании GGSN реализованы функции обеспечения безопасности, обработки счетов абонентов и динамического выделения IP-адресов.
Рисунок 2 – Структура сети GPRS
Для передачи IP трафика в GPRS используется один или несколько выделенных логических каналов, называемых PDCH и оптимизированных для пакетной передачи данных.
Канальная структура GPRS включает три типа логических канало. Информационные пакеты передаются по логическому каналу PDTCH, широковещательная и общесистемная информация передается с базовой станции на мобильные телефоны по каналу PBCCH. Третий тип логического канала PCCCH предназначен для передачи управляющей информации. По нему передаются сообщения о вызове, также он может использоваться базовой станцией для передачи данных о распределении сетевых ресурсов между мобильным сетями.
Один канал PDCH отображается в один временной интервал длинной 576.92 мкс, что позволяет использовать туже канальную структуру как в сетях GSM. Передача информации осуществляется со скоростью 270.833 кбит/с с использованием гаусовской манипуляции с минимальным сдвигом (GMSK). Формат канального интервала в GPRS также идентичен GSM, т.е. он содержит 2х 58 информационных бита (в том числе 2 служебных бита), 26 битов обучающей последовательности, 2х 3 конечных символа. Соседние интервалы разделены защитным промежутком, равным по длительности 8.25 битам.
Когда SGSN и GGSN расположены в одном узле GSN, то они взаимодействуют через интерфейс Gn, а в случае расположения их в разных сетях PLMN связь между ними осуществляется через интерфейс Gp.
Каждый абонент в сети GSM/GPRS"закрепляется" за одним или несколькими обслуживающими узлами SGSN с помощью основного регистра HLR. Так же узел SGSN может запрашивать сведенья об абонентах, взаимодействуя с HLR через интерфейс Gr. Для управления сигнализацией двух абонентов которым предоставлена работа в двух режимах используется интерфейс Gs. Через интерфейс Ge шлюзовой узел GGSN запрашивает сведения об абонентах, взаимодействуя с HLR. С помощью GGSN через интерфейс Giподдерживается связь между внешней сетью PDN и сетью GSM/PLN.
Таблица 2 –Структура GPRS
| Аббревиатура | Расшифровка | Обозначение |
| BG | Billing Gateway | Биллинговый шлюз |
| BSS | Base Station System | Оборудование массовой станции |
| BTS | Base Transceiver Station | Базовая приемо-передающая станция |
| EIR | Equipment Identification Register | Регистр идентификации оборудования |
| GGSN | Gateway GPRS Support Node | Шлюзовой узел поддержки услуг GPRS |
| GMSC | Gateway MSC | Шлюзовый мобильный центр коммутации |
| HLR | Home Location Register | Основной регистр положения |
| IWMSC | Interworking MSC | MSC для обеспечение межсетевого обмена |
| MSC/VLR | Mobile Switching Center/Visitor Location Register | Мобильный центр коммутации, территориально совмещенный с визитным регистром |
| MT | Mobile Terminal | Мобильный терминал |
| PCU | Packet Controller Unit | Контроллер пакетов |
| PDN | Public Data Network | Сеть передачи данных общего пользования |
| PLMN | Public Land Mobile Network | Сеть сухопутной подвижной связи общего пользования |
| PSTN | Public Switched Telephone Network | Коммутируемая телефонная сеть общего пользования |
| SGSN | Serving GPRS Support Node | Сервисный узел поддержки услуг GPRS |
| SMS | Short Message Service | Служба коротких сообщений |
| SM-SC | Short Message Switching Center | Центр коммутации коротких сообщений |
| TE | Terminal Equipment | Оконечное оборудование |
EDGE
Созданный на основе GSMрадиоинтерфейсEDGE обеспечивает плавный переход к 3-му поколению, позволяя увеличить скорость передачи данный до 384 кбит/с на несущую. В основе лежит изменение метода модуляции несущей и адаптивная схема защитного кодирования.
Радио интерфейс EDGE надстраивается над существующей схемой радиодоступа GSM и не требует создания новых сетевых элементов. Он совпадает со службами GSM, включая HSCSD и GPRS. Кроме этого EDGEможно использовать в сетях GSM, работающий в диапазонах частот 400, 900 и 1800 МГц.
В EDGE предусмотрена модуляция 8PSK с тремя битами на символ, поэтому скорость утраивается. Предусмотрено два режима EDGE, это режим с коммутацией пакетов (EGRPS) и режим с коммутацией каналов (ECSD). На физическом уровне протокол EDGE совпадает с GSM, включая структура кадра и мультикадра. В таблице 3 приведены основные характеристики технологии EDGE.
Таблица 3– Характеристики технологии EDGE
| Технология | EDGE |
| Скорость передачи в условиях высокой мобильности в локальных зонах покрытия, кбит/с | |
| Скорость передачи в условиях низкой мобильности в широких зонах покрытия, кбит/с | |
| Используемые диапазоны частот, МГц | GSM (450,900,1800) и PCS (1900) |
| Ширина полосы канала, МГц | 0,2 |
| Метод доступа/модуляция | TDMA/8PSK |
| Мощность передатчика мобильного терминала (при передаче речи), Вт | 1 (макс) |
К преимуществам EDGE следует отнести использование модуляции и адаптивной настройки канала в зависимости от требования абонента и реальной помеховой обстановки.
Эффективность использования спектра EDGE почти в 3 раза выше, чем в GPRS. При развертывании системы в полосе 600 кГц может быть обеспечена спектральная эффективность более 0,45 бит/Гц на соту.
Новые возможности стандарта EDGE – это автоматическое распознавание типа модуляции, используемого в радиолинии, с последующим переходом в требуемый режим. Усовершенствованный метод модуляции автоматически адаптируется к качеству канала, предлагая самые высокие скорости передачи в наиболее благоприятных условиях распространениярадио волн, особенно в близи базовых станций.
В EDGE две службы: усовершенствованная служба коммутации каналов (EGPRS) и усовершенствованная служба коммутации каналов (ECSD). Сравнивая с GSM максимальная скорость передачи на один канал увеличивается до 38,4 кбит/с для ECSD и до 69,2 кбит/с для EGPRS. Теоретически пропускная способность увеличивается до 553,5 кбит/с на несущую.
CDMA
Основные элементы CDMA по составу совпадают с элементами, используемыми в сотовых сетях с временным разделением каналов. Основное отличие заключается в том, что в состав сети CDMA стандарта IS-95 включены устройства оценки качества и выбора блоков (SU). Кроме того для реализации процедуры мягкого переключения между базовыми станциями, управляемыми разными BSC, вводятся лини между SU и BSC. В центре коммутации мобильной связи (MSC) устанавливается преобразователь-транскодер TCE, который преобразует выборки речевого сигнала из одного цифрового формата в другой.
Рисунок 3 – Схема сети CDMA
Система IS-95 рассчитана на работу в диапазоне частот 800 МГц, причем для прямого канала выделен участок спектра 869.04 – 893.97 МГц, а для обратного 824.04 – 848.96 МГц. Ширина полосы канала связи составляет 1.25 МГц.
Выравнивание мощностей сигналов МС на входе приемника БС является непременным условием работоспособности обратного канала системы CDMA. В стандарте IS-95 применена быстродействующая петля автоматической регулировки мощности сигналов МС. Регулировка осуществляется в динамическом диапазоне 84 дБ с шагом ±0.5 дБ и с периодичностью от нескольких микросекунд до 1.25 мс
Сети мобильной связи третьего и четвертого поколения
2.1 Сети третьего поколения
Сети 3G (thirdgeneration) – это третье поколение сетей мобильной связи, разработанное на базе технологии пакетной передачи данных. Их появление было вызвано необходимостью удовлетворить возрастающий мировой спрос на высокоскоростные технологии. Современные сети 3G используются в следующих областях:
- интерактивный обмен мультимедийными данными;
- видеотелефонная связь;
- передача изображений и больших объемов информации;
- асимметричная передача мультимедийных данных;
- работа с Интернетом и интрасетями.
Рисунок 4 иллюстрирует эволюцию двух основных ветвей мобильной связи.
Рисунок 4 – Эволюция основных ветвей мобильной связи
UMTS
Стандарт W-CDMA, известный также как UMTS (UniversalMobileTelecommunicationSystem – универсальная система мобильной связи) применяется в Европе и Японии, и должен стать приемником GSM/GPRS/EDGE.
UMTS теоретически обеспечивает обмен информацией на скоростях до 2048 кбит/с, однако, на практике, скорость может быть несколько ниже.
В сетях W-CDMA используют разделение сигнала по кодово-частотному принципу, т. е. идентификация пакетов информации, передаваемых абонентами производится не только по уникальному идентификатору, но и по частоте.
Наземнаячасть UMTS известнакак UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access). FDD-компонент UTRA основан на стандарте W-CDMA (UTRA FDD).
Для передачи данных протоколы UMTS использует частоты:
- 1885 МГц – 2025 МГц для передачи данных от мобильного терминала к базовой станции;
- 2110 МГц – 2200 МГц для передачи данных от станции к терминалу.
В США из-за занятости данных частот сетями GSM1900 для UMTS выделен диапазон 1710 МГц – 1755 МГц и 2110 МГц – 2155 МГц соответственно. В ряде стран дополнительно задействованы диапазоны 850, 900 МГц и 1900 МГц.
Стандартизацией UMTS занимается группа ThirdGenerationPartnershipProject (3GPP).
Стандарт UMTS (UniversalMobileTelecommunicationsSystem – Универсальная система мобильной связи), среди других стандартов 3G, нашел наибольшее распространение на территории Европы.
UMTS часто рассматривают, как переходный вариант между существующими 2G и разрабатываемыми 4G-технологиями (UMTS позволяет осуществить более мягкий переход на следующий этап развития сетей мобильной связи без заметного изменения существующего оборудования).
Сети UMTS надстраиваются над существующими сетями GSM, при этом они работают параллельно. Абонентская станция автоматически переключается между сетями.
Разработка стандарта UMTS началась в 1992 году организацией по стандартизации IMT-2000.
Первая сеть UMTS была запущена в коммерческую эксплуатацию 1 декабря 2001 года в Норвегии. К маю 2010 года число абонентов переваливает за 540 миллионов по всему миру.
Скорость передачи данных для сетей UMTS может достигать 2Мбит/сек.
А благодаря технологии HSDPA (HighSpeedDownlinkPacketAccess) (3.5G), которая была внедрена в 2006 году максимальная скорость возросла до 14 Мбит/сек.
В документах 3GPP термин WCDMA обозначает стандарт сотовой сети, который является надстройкой над GSM и работает в диапазоне 1900-2100 МГц.
Конкретные частоты под определенные стандарты выделяются непосредственно в каждой стране контролирующими организациями в соответствии с загруженностью всего частотного диапазона (см. рисунок 5.1).
В Российской Федерации для создания сетей стандарта IMT-2000/UMTS выделены следующие частоты:
- 1935 – 1980 МГц;
- 2010 – 2025 МГц;
- 2125 – 2170 МГц.
При этом минимально необходимый радиочастотный спектр для функционирования составляет два непрерывных участка по 15 МГц в полосах радиочастот 1935 – 1980 МГц и 2125-2170 МГц для организации трех каналов в режиме частотного дуплекса и непрерывный участок (5 МГц) в полосе радиочастот 2010 – 2025 МГц для организации одного канала в режиме временного дуплекса.
Рисунок 5.1 – Частотные диапазоны для сетей 3G
В конце 2010 г. на территории Москвы и Московской области о выделены дополнительные частоты:
- 890 – 915 МГц;
- 935 – 960 МГц;
- 1710 – 1785 МГц;
- 1805 – 1880 МГц.
Подсистема коммутации в первых релизах стандарта UMTS (R99, R4) не отличалась по своей структуре от подсистемы сетей GSM (см. рисунок 5.2).
В нее входили MSC – MobileSwitchingCentre, который выполнял функции коммутации, установления соединения, тарификации и др., а также ряд регистров HLR, VLR, AUC, которые предназначены для хранения абонентских данных.
В более поздних релизах (R5, R6, R7, R8) функции MSC были разделены между двумя устройствами: MSC-Server и MGW (Mediagateway).
MSC-Server отвечает за установление соединений, тарификацию, выполняет некоторые функции аутентификации. MGW представляет собой коммутационное поле, подчиненное MSC-Server.
В сети UMTS по сравнению с сетью GSM наибольшие изменения претерпела Подсистема базовых станций.
Преимущества UMTS (скорость) достигаются в первую очередь за счет новой технологии передачи информации между базовой станцией и телефоном абонента.
Основные элементы подсистемы базовых станций:
1 RNC (RadioNetworkController) – контроллер сети радиодоступа системы UMTS – является центральным элементом подсистемы базовых станций и выполняет большую часть функций: контроль радиоресурсов, шифрование, установление соединений через подсистему базовых станций, распределение ресурсов между абонентами и др. В сети UMTS контроллер выполняет гораздо больше функций, нежели в системах сотовой связи второго поколения.
2 NodeB – базовая станция системы сотовой связи стандарта UMTS. Основная функция – преобразование сигнала, полученного от RNC в широкополосный радиосигнал и передача его к телефону. Базовая станция не принимает решений о выделении ресурсов, об изменении скорости к абоненту, а лишь служит мостом между контроллером и оборудованием абонента, и она полностью подчинена RNC.
Рисунок 5.2 – Структура UMTS
Пакетные данные в сети UMTS передаются от MGW к известному нам по системе GSM элементу SGSN, после чего через GGSN поступают к другим внешним сетям передачи данных, например, Internet.
Как правило, SGSN и GGSN сети GSM применяются для тех же целей и в сети UMTS (производится только коррекция программного обеспечения данных элементов).
Независимое параллельное развитие сетей UMTS наряду с существующими сетями 2G требует огромных денежных средств. Поэтому разработчики стационарного оборудования и мобильных абонентских станций стараются искать совместимые решения, пригодные для использования и в старых сетях 2G, и в сетях нового поколения.
Сегодня все ведущие изготовители базовых модулей для MS выпускают совмещенные GSM/UMTS-модули. Сотовые телефоны и терминалы, созданные на базе этих модулей, могут работать как в сетях GSM/GPRS/EDGE, так и в сетях 3G.
Со своей стороны, производители оборудования для базовых станций выпускают переключаемые программные коммутаторы (SoftSwitch), способные одновременно обслуживать базовые станции GSM и UMTS.
HSPA
HSPA (HighSpeedPacketAccess) – это технология высокоскоростной передачи данных в сетях сотовой связи стандарта UMTS (UniversalMobileTelecommunicationsSystem). Этот стандарт разрабатывался с учетом возросших потребностей к мобильному широкополосному доступу в Интернет. В релизе R99 стандарта UMTS предусматривалась скорость передачи данных до 2Мбит/сек. Благодаря такой скорости абонент мог путешествовать по web-сайтам, слушать музыку, смотреть сжатое видео и скачивать файлы небольшого объема. Однако в реальности скорости передачи данных по данной технологии не превышали 200-300 кбит/сек. Этого совершенно не хватало для просмотра качественного потокового видео и загрузки файлов больших объемов, а именно эти возможности оказались особенно востребованными в начале 2000 годов. Чтобы решить эту проблему требовалась новая технология, которая способная дать абоненту возможности широкополосного стационарного интернета. Данную задачу успешно решил, появившаяся в 2006 году технология HSPA, которая является усовершенствованием существующих сетей стандарта UMTS (см. рисунок 6).
Технологию HSPA можно разделить на две составные части HSDPA (HighSpeedDownlinkPacketAccess) и HSUPA (HighSpeedUplinkPacketAccess). Первая обеспечивает высокоскоростной доступ в направлении downlink – от базовой станции (NodeB) к мобильной станции (UE), а вторая наоборот: uplink – от мобильной станции (UE) в базовой станции (NodeB). Разработкой этих технологий занимается организация по стандартизации 3GPP (ThirdGenerationPartnershipProject).
HSDPA позволяет достичь скорости передачи данных до 14,4 Мбит/сек, а HSUPA до 5,7 Мбит/сек. Такой качественный скачок обусловлен рядом изменений в программной и аппаратной частях NodeB, RNC и UE. В первую очередь для обеих технологий заменяется способ модуляции на 16-QAM (Quadratureamplitudemodulation). Главное его преимущество заключается в увеличении объема информации, переносимой каждой сигнальной посылкой. Также внесены некоторые модификации в существующие механизмы работы сети и ряд функций перенесено с RNC на NodeB.
Рисунок 6 – Технология HSPA (High Speed Packet Access)
Скоростей передачи данных, предоставляемых HSDPA и HSUPA вполне достаточно для получения современных мультимедийных услуг, включая потоковое видео, загрузка и скачивание файлов больших размеров, сетевые игры и мн. др. С подобными скоростями передачи данных сети стандарта UMTS вполне могут составить конкуренцию фиксированному доступу в Интернет, а за счет большого числа операторов сотовой связи цены мобильного доступа в Интернет также постепенно будут приближаться к стоимости фиксированного доступа.
Технологии HSDPA и HSUPA – одни из самый быстро внедренных технологий в истории сотовой связи. Производители телекоммуникационного оборудования, такие как Nokia, Alkatel, Huawei и мн. др. достаточно быстро откликнулись на их появление. А сами технологии появились еще во времена, когда не везде построены сети 3G. Все это дало хороший толчок для их внедрения в коммерческую эксплуатацию, и уже через 2 – 3 года после выпуска первых релизов эти стандарты имели широкое распространение. В России в настоящее время все сети UMTS предоставляют или будут предоставлять эту технологию.
CDMA2000
CDMA2000 является модификацией стандарта CDMA и активно продвигается американскими операторами, составляя реальную конкуренцию UMTS.
Несмотря на то, что стандарты "W-CDMA" и "CDMA2000" имеют общую аббревиатуру в своих названиях, это совершенно разные системы, использующие различные технологии. Тем не менее, есть надежда, что мобильные терминалы, работающие в этих несовместимых стандартах, когда-нибудь научатся "общаться" друг с другом.
Стандарт CDMA2000 разделяют на три фазы:
- 1X (известная также как IS-95C);
- 1X EV-DO (только данные): EV = "Evolution", DO ("DataOnly" – "только данные") использует различные частоты для передачи голоса и данных;
- 1X EV-DV (данные & голос): DV ("DataandVoice" – "данные и голос") поддерживает интеграцию голоса и данных в одном частотном диапазоне.
Именно стандарт 1X EV-DV может считаться полноценным 3G-стандартом.
Кстати, изначально, не было разделения на 1X EV-DO и 1X EV-DV, а в стандарте CDMA выделяли только две фазы 1XRTT и 3XRTT.
Скорость обмена информацией в сетях CDMA2000 1X может достигать 153,6 кбит/с, в стандарте CDMA2000 1X EV-DO – 2,4 Мбит/c (ревизия 0) и 3,1 Мбит/c (ревизия А).
В отличие от стандарта UMTS, стандарт CDMA 2000 не оговаривает, какие частоты должны использоваться для передачи сигнала, поэтому построение сетей CDMA 2000 возможно во всех частотных диапазонах, используемых операторами сотовой связи – 450, 700, 800, 900, 1700, 1800, 1900, 2100 МГц.
За счет того, что спектр и качество предоставляемых сетью CDMA2000 услуг расширились, в структуре сети появились некоторые новые элементы, а функции прежних претерпели изменение (см. рисунок 7). Ниже представлены новые элементы сети и рассмотрены их основные функции.
Рисунок 7 – Структура сети стандарта CDMA2000
Мобильная станция (MS – MobileStation). В сети CDMA2000 мобильная станция – это абонентское устройство, не обязательно мобильный телефон. Это может быть какое-либо иное устройство с модулем доступа к услугам сотовой сети и используемое, например, для доступа в сеть Интернет с компьютера.
Мобильная станция взаимодействует с RAN для получения необходимых ресурсов сети с целью доступа к пакетной сети, и далее следит за состоянием выделенных ресурсов (заняты, свободные, режим ожидания). MS может буферизировать данные пользователя, если в текущей момент требуемые ресурсы сети недоступны.
После включения, MS автоматически регистрируется в сети, и в HLR отмечается ее текущее состояние. Эта процедура происходит в следующем порядке:
1 Аутентификация MS.
2 Текущее местоположение MS заносится в HLR.
3 Далее MSC сообщается набор разрешенных услуг сети.
После успешного прохождения указанных процедур мобильная станция может совершать голосовые вызовы и передавать данные. Последняя услуга может быть предоставлена с использованием одной из двух сетей: с коммутацией пакетов или каналов, в зависимости от того факта: поддерживает ли MS стандарт CDMA2000. В случае если мобильное устройство совместимо только со стандартом IS-95 (CDMA One) передача данных возможна лишь через сеть с коммутацией пакетов. При этом скорость передачи не будет превышать 19,2 кбит/сек. Если же терминал совместим с IS-2000 (CDMA2000), то может быть сделан выбор между двумя возможными способами передачи данных через сеть оператора. Скорость передачи пакетных данных для сети CDMA2000 1x может достигать 144 кбит/сек.
Сетьрадиодоступа (RAN – Radio Access Network). Сеть радио доступа является входной точкой абонента во всю сеть оператора, независимо от предоставляемой услуги. Из-за добавления в сеть оператора нового домена с коммутацией пакетов на сеть доступа были возложены новые функции: идентификация абонентов в сети, обслуживание соединений к сети с коммутацией пакетов, проверять права доступа абонента к запрашиваемому сервису.
Базовая станция (BTS – BaseStationTransceiver) – контролирует все действия на радио интерфейсе между BTS и MS, а также служит интерфейсом между сетью и мобильными устройствами. Управление радио ресурсами, например, назначение частотных каналов, разделение сот, управление мощностью передачи и т.п. относится к задачам базовой станции. В добавление к этому, BTS организует сквозные соединения для прохождения трафика между MS и BSC для обеспечения минимальных временных задержек в процессе передачи пользовательских данных и сигнализации.
Контроллер базовых станций (BSC – BaseStationController) – передает сообщения сигнализации и голосовые данные между сотами и MSC (MobileSwitchingCentre). Кроме того, BSC выполняет некоторые процедуры связанные с мобильностью абонентов, например, контролирует процедуру хэндовера между сотами в случае необходимости.
Устройство контроля пакетных соединений (PCF – PacketControlFunction) – новый элемент сети CDMA2000, которого не было в CDMA One. Его главной задачей является маршрутизация пакетов между BTS и PDSN. В процессе пакетной сессии PCF будет назначать доступные радио ресурсы для абонентов сети, в соответствии с их потребностями и оплаченным объемом услуг. Главная задача PCF заключается в планировании распределения ресурсов сети доступа, включая радио ресурсы, так чтобы они могли быть максимально эффективно использованы и при этом не допустить снижения качества предоставляемых услуг.
Сеть коммутации (NSS (NetworkSwitchingSystem)) не претерпела существенных изменений по сравнению с системой CDMA One. В нее также входят MSC, который отвечает за установление голосовых соединений в системе, а также ряд регистров (HLR, VLR и др.), в которых хранится информация об абонентах.
Сеть пакетной коммутации (PCN – PacketCoreNetwork). Это совершенно новая система в сети сотовой связи, отвечающая за передачу пользовательских пакетов из/в внешние сети (например, Интернет), а также за аутентификацию абонентов, назначение IP-адресов и некоторые другие.
Обслуживающий узел пакетной сети, объединенный с внешним агентом (PDSN/FA – PacketDataServingNode / ForeignAgent) – это шлюз между сетью радио доступа и внешними пакетными сетями. Это устройство выполняет следующие функции:
- управляет соединениями между системой базовых станций и пакетной сетью, включая установление, поддержание и завершение сессий;
- предоставляет IP-адреса абонентам сети;
- выполняет маршрутизацию пакетом между сетью оператора и внешними сетями передачи данных;
- формирует и передает счета за оказанные услуги в систему биллинга;
- управ