Стандарты связи

Статья была представлена мною на конференции по физике в МГТУ.Ничего нового не открыл,но мне была интересна.Вот и решил,найдя свободное время,выложить.Может кому и пригодится. =)
Термин "Сотовая связь" родился чуть более тридцати лет назад (что очень мало по историческим меркам), а повсеместное использование этого блага началось вообще только недавно - в последние пять лет. Однако за этот маленький промежуток времени сотовая (или, как ее еще называют, "мобильная") связь успела пройти три полноценных этапа своего развития, в официальной терминологии именуемых "поколениями связи".
1G - аналоговые системы. Впервые идея создания массовых пользовательских сетей радиосвязи на основе сот - небольших участков обслуживания, на которые разбивается вся зона сети, - была выдвинута в 40-х годах прошлого века в известном исследовательском центре Bell Laboratories компанией AT&T. Сотовый принцип решал проблему ограниченности частотного ресурса (когда много одновременно работающих станций создают взаимные помехи в связи с использованием близких по частоте каналов). В то время как в США коммерческое внедрение мобильной связи сильно затормозилось из-за антимонопольных претензий к Bell System, в Европе наверстывали упущенное и создавали собственный аналоговый стандарт - NMT-450 (Nordic Mobile Telephone в диапазоне 450 МГц). В дальнейшем (а точнее, в 1985 году) стандарт адаптировали для частотного диапазона 900 МГц и ввели ряд дополнительных возможностей: уменьшение размеров самих телефонов, усовершенствование протоколов управления, защиту доступа к сети с помощью системы идентификации абонента, а также возможность пользоваться услугами передачи данных на скорости 4,8 Кбит/с и т.п. Был модернизирован стандарт 450 МГц, впоследствии получивший обозначение NMT-450i. Стоит отметить, что большинство существующих сейчас сетей NMT работает именно в нем. Собственные стандарты были разработаны во многих других странах, однако наиболее широкое распространение получили NMT и AMPS.Именно их принято относить к первому поколению технологий сотовой связи.
Характерной чертой всех аналоговых стандартов является использование частотной или фазовой модуляции, поэтому они имеют ряд недостатков, например беззащитность перед прослушиванием и невозможность исключить "замирание" сигналов. В стандартах применяется метод множественного доступа с разделением каналов по частоте (FDMA - Frequency Division Multiple Access). Так, для стандарта NMT ширина одного канала составляет 25 кГц, что стало причиной одного из основных недостатков таких систем: неэффективное использование частотного спектра и, соответственно, низкая емкость сети.
2G - переход к "цифре". Однако человечество не стоит на месте, и уже вскоре после появления первого поколения появились другие стандарты - GSM (Global System for Mobile Communication) для диапазонов 900, 1800 и 1900 МГц,- наиболее распространенные сегодня. Одной из приятных особенностей телефонов стандарта GSM является использование специальной SIM-карты, по своей сути - целого микрокомпьютера. К числу недостатков стандарта можно отнести искажение голоса (все хорошо слышно, но родные голоса узнаешь не всегда). А также помехи связи при переотражениях радиосигналов, что, увы, характерно для города. Кроме этого радиосигналы высоких частот, используемые в стандарте GSM (900 и 1800 МГц), значительно ослабляются при распространении. В результате связь становится гораздо хуже в "глухих" железобетонных строениях и подвалах. Не очень велика и максимальная дальность связи с базовыми станциями: в GSM 900 это 35 км, а в GSM 1800 - всего 10 км.
2.5G - ориентация на передачу данных. Технология, внедряемая в сети GSM, предполагает пакетную передачу данных и носит название GPRS (Global Packet Radio Service). Если при передаче речи используется один тайм-слот частотного канала, то технология GPRS позволяет передавать данные, используя несколько тайм-слотов(до восьми, весь частотный канал), благодаря чему и достигается более высокая скорость передачи. Однако внимательный читатель заметил, что GPRS занимает несколько тайм-слотов, что, естественно, снижает емкость сети. На самом деле передача данных имеет более низкий приоритет по сравнению с передачей голоса и использует лишь свободные тайм-слоты, которые занимаются только на момент передачи. В остальное время тайм-слоты остаются свободными, более того, даже те из них, что заняты передачей данных, при запросе других абонентов на разговор освобождаются. На основе GPRS работают такие сервисы, как MMS,WAP GPRS и др.
2.75G - EDGE:еще лучше. Эта аббревиатура знакома пользователям несколько меньше, чем GPRS.EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) еще часто - для простоты - называют "расширенный GPRS", что сразу ставит все на свои места. Мобильный телефон (смартфон), поддерживающий данную технологию, способен передавать данные со скоростью 384 Кбит/с, но, к сожалению, только на бумаге. На практике данный показатель, как правило, не превышает 200 Кбит/с, а средняя скорость колеблется в пределах 140-160 Кбит/с (при благоприятных условиях). В этом стандарте сотовой связи применяется временное разделение каналов TDMA (Time Division Multiple Access), но эта базовая технология имеет ряд существенных недостатков, с которыми постоянно приходиться сталкиваться пользователям. К таковым можно отнести небольшую абонентскую емкость сети, высокий уровень помех в речевом сигнале, частую нестабильность сеанса связи, недостаточную информационную емкость.
3G - ближайшее будущее. Технология, используемая в сетях третьего поколения, носит гордое название CMDA (Code Division Multiple Access) и основывается на кодовом разделении каналов. Функционирование сети на базе CMDA осуществляется следующим образом. Спектр исходного информационного сигнала расширяется на весь доступный канал и модулируется специальным и уникальным (у каждого абонента свой идентификатор) шумоподобным кодом. В приемнике он восстанавливается с помощью этого же кода, очищаясь от всех прочих (ненужных) сигналов, модулируемых своими цифрами. В результате, на первый взгляд, сложных "манипуляций" обеспечивается очень высокая степень помехоустойчивости, и появляется возможность работать при довольно низком значении показателя "сигнал-шум" даже при передаче маломощного сигнала.
Преимущества 3G-сетей. Во-первых, сети третьего поколения позволяют, затратив те же самые ресурсы, охватить намного большую территорию и число абонентов (в несколько раз), чем в сетях GSM. Во-вторых, доступно постоянное высокое качество связи в речевом сигнале, в котором благодаря кодовому разделению каналов отсутствуют какие-либо шумы и помехи. В-третьих, обеспечивается высокая стабильность соединения. В-четвертых, наличествует колоссально высокая степень конфиденциальности разговоров, при которой никакая, даже самая изощренная прослушка с использование даже самого нового оборудования невозможна. В-пятых, несмотря на всю еще недоказанность вредного влияния сотового телефона, точнее, его излучения, на организм человека, вероятность все же остается, поэтому телефоны третьего поколения оборудованы маломощными передатчиками. В результате этого риск вреда здоровью уменьшается до минимума (по сравнению с GSM, в среднем, CMDA-терминалы обладают почти в десять раз меньше мощностью). Также это позволяет значительно экономить заряд аккумулятора, что обуславливает еще более долгое активное функционирование. Ну и, наконец, абоненты сетей третьего поколения всегда смогут воспользоваться быстрым и дешевым Интернетом.
Разновидности сетей 3G. В настоящее время сети третьего поколения развиваются по двум большим направлениям: CDMA и UMTS (Universal Mobile Telecommunication System).Сначала, когда сети 3G только-только появились, скорость передачи данных в них была относительно невысокой - порядка 168 Кбит/с.Но вскоре после появления надстройки над стандартом - CDMA 1xEV-DO (EV - Evolution), скорость стала достигала 2.4 Мбит/с.
HSPDA - еще один этап. Технология HSPDA (High Speed Downlink Packet Access), часто причисляют к переходному поколению - 3.5G. Она обеспечивает вдвое большую, чем у UMTS, скорость (теоретически до 8-10 Мбит/с) передачи данных, с сохранением того же высокого качества и принципа пакетного доступа.
4G - DOCOMO делает шаг в будущее. Технологические аспекты 4G. Стандарт нового поколения 4G по своей структуре основывается на двух составляющих: протоколе IP (Internet Protocol) и разновидности одноранговых вычислительных сетей peer-to-peer.Суть архитектуры peer-to-peer предусматривает построение сети по мере надобности. Объясню проще. Если какой-либо пользователь присоединяется к сети (4G) - включает аппарат и регистрируется в ней, - он автоматически добавляет к инфраструктуре свой мобильный маршрутизатор. Этим обеспечивается динамическое изменение таких ключевых параметров, как емкость и покрытие. Какие скорости передачи данных обеспечивает 4G? Летом 2003 года Группой стандартизации радиосвязи при Международном союзе электросвязи (ITU-R) были определены параметры быстродействия, которые должен обеспечить стандарт. Так, для неподвижного объекта оптимальной предусматривалась скорость, равная 1 Гбит/с; для объекта, движущегося со средней скоростью поезда, - около 100 Мбит/с. Но время идет, все меняется, в том числе и прогнозы. Уже сейчас они претерпели некоторые коррективы: японские компании NTT DoCoMo и NEC, активные пропагандисты и разработчики 4G, "трубят" во все стороны об увеличении ранее предусмотренной скорости - теперь она колеблется в пределах 1-2.5 Гбит/с, причем эти цифры уже подтвердились на практике (в средних между лабораторными и повседневными условиям).Достигаться эти параметры будут благодаря применению специального оборудования, построенного на базе технологии Flash-OFDM (Fast Low-latency Access with Seamless Handoff Orthogonal Frequency Division Multiplexing), позволяющей передавать данные на любой рабочей частоте, вплоть до 3 ГГц. Также для увеличения скорости обмена данными будет задействована технология многоканального приема и передачи трафика с помощью многоканальной антенны MIMO (Multiple Input Multiple Output). Можно выделить и еще одну особенность сетей четвертого поколения, которая и обуславливает столь высокие скорости, - полное отсутствие голосового трафика, наличие пакетной передачи. Звук тоже "идет" пакетами, как в IP-телефонии.