Беспроводные технологии

Запомните то, что 3G является основным конкурентом WiMAX в сфере мобильного интернета. 3G технология медленнее WiMAX, максимальная скорость передачи данных в сетях 3G может достигать 3,6 Мбит/с.

Данный факт, позволяет абонентам, находясь в 3G сетях, получать высококачественный сервис включающий передачу речи, различного мультимедийного контента и скоростной доступ в Internet, а также обмен данными между мобильным телефоном и компьютером. Одним словом, можно сказать, что 3G технологии улучшают качество сервиса сетей второго поколения, добавляя им множество новых услуг.

В сетях третьего поколения, есть важное преимущество – это улучшенная защита от обрывов связи в движении, за счёт использования метода так называемого мягкого «хэндовера» (англ. handover).

Суть метода заключается в том, что по мере удаления от одной базовой станции, клиента «подхватывает» другая. «Подхватившая» клиента базовая станция начинает передавать всё больше и больше информации, в то время как первая станция передаёт всё меньше и меньше, пока клиент вообще не покинет зону её обслуживания.

При хорошем покрытии сети вероятность обрыва полностью исключается благодаря системе подобных «подхватов». Это отличается от поведения систем с частотным и временным разделением каналов (GSM), в которых переключение между станциями «жёсткое» и может приводить к задержкам в передаче и обрывам соединения.

Ввиду совместимости 3G сетей с действующими ныне GSM и CDMA сетями, операторам мобильной связи экономически целесообразнее внедрять 3G технологии, именно поэтому, в настоящее время, география покрытия 3G сетей больше. Однако новым провайдерам наоборот, выгоднее развивать WiMAX сети, ввиду того, что внедрение WiMAX оборудования обходится дешевле, чем оборудования 3G.

В конце 2002 года в России, оператор «Скайлинк» запустил первый аналог 3G сети в г. Санкт-Петербурге. «Скайлинк» вышел на рынок с несколькими относительно недорогими безлимитными тарифами и включенной в них услугой доступа в Интернет.

В настоящее время в Российской Федерации услуги 3G предоставляют большинство действующих операторов сотовой связи.

2.2. Стандарт CDMA-2000

Стандарт CDMA2000 – это представитель стандартов сотовой связи третьего поколения (3G). Он также известен под именами IMT-CDMA Multi-Carrier или IS-2000. Основной целью создания CDMA2000 было увеличение пропускной способности и максимально разрешенных скоростей передачи данных, по сравнению с предшествующим стандартом CDMA One. Разработка CDMA2000 началась в 2000 году, организацией 3GPP2. В итоге был выпущен целый набор стандартов, описывающих новый радио интерфейс и значительные улучшения в сети радио доступа (Radio Access Network, RAN) и системе коммутации (CN), которые позволили добиться указанных выше требований. Таким образом, CDMA2000 – это технология, которая обеспечила эволюцию сетям CDMAOne/IS-95 к стандартам третьего поколения.

CDMA2000 может быть рассмотрен в  нескольких фазах. Первая фаза: CDMA2000 1x, который поддерживает среднюю скорость передачи данных 144 кбит/сек. Следующей фазой является стандарт, получивший аббревиатуру: 1x-EV-DO (evolution data only or data optimised). Он позволяет передавать данные со скоростью до 2Мбит/сек на одной несущей. Последним, пока еще разрабатываемым стандартом серии CDMA2000 является 1x-EV-DV (EVolution Data/Voice). Он предусматривает скорости передачи данных до нескольких десятком Мбит/сек, а также улучшения в качестве передачи данных.

В стандарте CDMA One данные передавалась по тем же системам, что и голос. Это значительно ограничивало максимальную скорость передачи данных и общую емкость сети. В стандарте CDMA2000 была введена специальная сеть для передачи данных: Packet Core Network (PCN) – сеть с коммутацией пакетов, которая позволяет передавать данные с большей скоростью и безопасностью.

Также как и CDMA One стандарт CDMA2000 использует для работы тот же частотный диапазон, разделенный на аналогичные полосы частот 1,25 МГц. Это значительно облегчает переход операторов к новому стандарту, так как отпадает необходимость в приобретении новой частотной лицензии, что является одним из основных сдерживающих факторов в развертывании сетей нового стандарта. Благодаря подобной преемственности операторы могут постепенно замещать оборудование более новым и тем самым снизить до минимума проблемы, возникающие при обновлении стандарта, такие как низкая распространенность абонентского оборудования, большие первоначальные затраты, организация транспортных каналов и т.п.

Стандарт CDMA2000 улучшает показатель спектральной эффективности, т.е. эффективности использования частотных ресурсов за счет следующих улучшений:

1. Усовершенствованный алгоритм  управления мощностью. Стандарт CDMA2000 использует кодовый метод доступа  абонентов в сеть – CDMA (code division multiple access). Главным его недостатком является возникновение интерференции при увеличении числа абонентов. Однако благодаря механизму управления мощности для каждого мобильного терминала (MS) будет задана оптимальная мощность на данный момент времени, которая позволит с одной стороны не мешать другим абонентам, а с другой – обеспечить требуемый уровень качества обслуживания (QoS). Основным изменением в алгоритме управления мощностью MS стало увеличения частоты (до 16 раз) отправки команд на изменения мощности передачи данных абонентского оборудования. Благодаря этому удалось в 1,5 раза увеличить емкость сети.

2. Разнесенная передача (Transmit diversity) – каждая антенна может принимать/ передавать до 6 различных сигналов. При этом MS выбирает частоту с наибольшим уровнем сигнала. Благодаря Transmit diversity можно значительно снизить уровень ошибок в канале связи и увеличить качество сигнала.

3. Умные антенны (Smart Antennas). Они позволяют  формировать отдельные пучки сигнала для каждого абонента с точностью в несколько десятков метров. Благодаря Smart antenna реализован так называемый пространственный метод множественного доступа абонентов (SDMA - Space Division Multiple Access). Это позволяет значительно снизить общий уровень интерференции в радио эфире и существенно расширить емкость сети.

4. Стандарт CDMA2000 предусматривает использование QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) – модуляции

5. Улучшенная технология цифрового  кодирования

6. В стандарте CDMA2000 используются более эффективные вокодеры и большее число расширяющих кодов (Walsh code). В стандарте CDMA One на одной несущей максимально могли быть использованы 64 расширяющих кода. В CDMA2000 можно использовать до 128 кодов. Таким образом, в каждой соте может быть обслужено в 2 раза больше низкоскоростных соединений, например голосовых соединений (Приложение А).

Эти и другие преимущества позволили в разы увеличить скорость передачи абонентских данных через радио соединение и увеличить емкость сети18.

Как уже отмечалось ранее, если оператор уже эксплуатирует сеть стандарта CDMA One, то ему не обязательно строить совершенно новую сеть для стандарта CDMA2000, а достаточно выполнять ряд аппаратных и программных обновлений. Изменения коснутся всех элементов сети: не только сети доступа, но и системы коммутации. Кроме того должна быть добавлена новая сеть пакетной коммутации. В соответствии с отмеченными выше нововведениями для перехода от CDMA One к CDMA2000 необходимо сделать следующие изменения:

1. На элементах системы коммутации MSC, VLR, HLR должно быть сделано обновление программного обеспечения. Это необходимо для того, чтобы CN могла обеспечивать процедуры аутентификации и авторизации пакетных соединений.

2. Обновление аппаратного обеспечения  должно быть проведено для базовых станций (BTS). Это связано с существенными изменениями в радио интерфейсе.

3. Также должен быть заменен  приемопередатчик мобильного терминала, по тем же причинам.

4. Обновление программного обеспечения  должно быть проведено для  контроллера базовых станций (BSC). В результате этого BSC будет маршрутизировать пакеты не к сети с коммутацией пакетов, которой является коммутатор, пришедший от сети CDMA One, а к новой сети с коммутацией пакетов.

5. Главным новшеством является  введение новой сети с коммутацией пакетов (PS). В нее входит непосредственно пакетный коммутатор, а также элемент обеспечивающий аутентификацию абонентов, пользующихся услугами этой сети.

За счет того, что спектр и качество предоставляемых сетью CDMA2000 услуг расширились, в структуре сети появились некоторые новые элементы, а функции прежних претерпели изменение (Приложение А).

Мобильная станция (MS - Mobile Station). 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.

Сеть радио доступа (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.

2.3. Стандарт UMTS

Стандарты третьего поколения пришли на смену стандартам 2G. В первую очередь их появление обусловлено возросшими потребностями абонентов в скорости передачи данных. Стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System - Универсальная система мобильной связи) нашел наибольшее распространение среди других стандартов этого поколения на территории Европы, в том числе и России.

Разработка стандарта UMTS началась в 1992 году организацией по стандартизации IMT-2000. Впоследствии разработка этого стандарта была поручена 3GPP. 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. Благодаря технологии HSDPA-High Speed Downlink Packet Access (3.5G), которая была внедрена в 2006 году максимальная скорость возрасла до 14 Мбит/сек. Эти и другие преимущества UMTS позволяют предоставлять абонентам широкий перечень услуг: видеозвонки, видеоконференции, высококачественные голосовые звонки, загрузка файлов с высокой скоростью, сетевые игры, мобильная комерция и мн. др.

Рассмотрим структуру системы UMTS и ее основные отличия от стандарта второго поколения GSM(Приложение А).

В первых релизах стандарта UMTS (R99, R4) подсистема коммутации не отличалась по своей структуре от той же подсистемы сетей второго поколения. В нее входили MSC – Mobile Switching Centre, 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 (Media gateway). 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. Отмеченные выше преимущества достигаются в первую очередь за счет новой технологии передачи информации между базовой станцией и телефоном абонента.

Итак, рассмотрим основные элементы, входящие в подсистему базовых станций:

RNC (Radio Network Controller) – контроллер  сети радиодоступа системы UMTS. Он  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.

NodeB – базовая станция системы  сотовой связи стандарта UMTS. Основной функцией NodeB является преобразование сигнала, полученного от RNC в широкополосный радиосигнал, передаваемый 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.