16001C
Титульный экран
8 ПОДВИЖНАЯ ТЕЛЕФОННАЯ СВЯЗЬ. СОТОВЫЕ ТЕЛЕФОНЫ
8.1 Исторические сведения. Поколения сотовой связи
Появлению сетей сотовой подвижной связи (ССПС) предшествовал долгий период эволюционного развития радиотелефонной системы связи (РСС), в течение которого осваивались различные частотные диапазоны, и совершенствовалась техника связи. Идея сотовой связи была предложена в ответ на необходимость развития широкой сети подвижной СПС в условиях ограничений на доступные полосы частот.
Краткая история мобильной связи
Видео 4 мин. 06 сек. Ссылка: https://youtu.be/zWS1bfollOIВ середине 40-х годов исследовательский центр Bell Labs американской компании AT&T предложил идею разбиения обслуживаемой территории на небольшие участки, которые стали называться сотами, (cell - ячейка, сота). Каждая сота должна была обслуживаться передатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это позволило бы без взаимных помех использовать ту же самую частоту повторно в другой ячейке (соте). Но прошло около 30 лет, прежде чем такой принцип организации связи был реализован на аппаратном уровне.
В 70-х годах начались работы по созданию единого стандарта сотовой связи для пяти североевропейских стран – Швеции, Финляндии, Исландии, Дании и Норвегии, который получил название NMT-450 (Nordic Mobile Telephone) и был предназначен для работы в диапазоне 450 МГц. Эксплуатация первых систем сотовой связи этого стандарта началась в 1981 г. Сети на основе стандарта NMT-450 и его модифицированных версий стали широко использоваться в Австрии, Голландии, Бельгии, Швейцарии, а также в странах Юго-Восточной Азии и Ближнего Востока. На базе этого стандарта в 1985 г. был разработан стандарт NMT-900 диапазона 900 МГц, который позволил расширить функциональные возможности и значительно увеличить абонентскую емкость системы.
В конце 80-х годов приступили к созданию систем сотовой связи (ССС), основанных на цифровых методах обработки сигналов. С целью разработки единого европейского стандарта цифровой сотовой связи для выделенного в этих целях диапазона 900 МГц в 1982 г. Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (СЕРТ) создала специальную группу Groupe Special Mobile. Аббревиатура GSM дала название новому стандарту (позднее GSM стали расшифровывать как Global System for Mobile Communications). Результатом работы этой группы стали опубликованные в 1990 г. требования к системе ССС стандарта GSM.
Наука 2.0 - Мобильная радиосвязь
Видео 40 мин. 53 сек. Ссылка: https://youtu.be/BYOmdzbxWI0?t=26sВ США в 1990 г. американская Промышленная Ассоциация в области связи Т1А (Telecommunications Industry Association) утвердила национальный стандарт IS-54 цифровой сотовой связи. Этот стандарт более известен под аббревиатурой D-AMPS или ADC. В отличие от Европы, в США не были выделены новые частотные диапазоны, поэтому система должна была работать в полосе частот, общей с обычным AMPS. В то же время американская компания Qualcomm начала разработку нового стандарта сотовой связи, основанного на технологии шумоподобных сигналов и кодовом разделении каналов – CDMA (Code Division Multiple Access).
В 1991 г. в Европе появился стандарт DCS-1800 (Digital Cellular System 1800 МГц), созданный на базе стандарта GSM.
В Японии был разработан собственный стандарт сотовой связи JDC (Japanese Digital Cellular), близкий по своим показателям к стандарту D-AMPS. Стандарт JDC был утвержден в 1991 г. Министерством почт и связи Японии.
В 1993 г. в США Промышленная Ассоциация в области связи (TIA) приняла стандарт CDMA как внутренний стандарт цифровой сотовой связи, назвав его IS-95. В сентябре 1995 г. в Гонконге была открыта коммерческая эксплуатация первой сети стандарта IS-95.
В 1993 г. в Великобритании вступила в эксплуатацию первая сеть DCS-1800 One-2-One.
В России приняты и активно используются следующие типы сотовой связи: НМТ-450; CDMA АРSM/DAMPS; GSM-900/1800.
В эволюционном развитии ССС можно выделить три поколения:
первое – аналоговые системы;
второе – цифровые системы;
третье – универсальные системы мобильной связи.
При аналоговой обработке речевого сигнала происходит его передача также как и в обычных радиостанциях. При этом во всех аналоговых стандартах применяется частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) модуляция для передачи речи и частотная модуляция 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 с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем – относительно низкая емкость, являющаяся следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.
Перечисленные недостатки обусловили появление цифровых ССС. Переход к цифровым системам также стимулировался широким внедрением цифровой техники в отрасль связи. При цифровой обработке сигнала речевой сигнал сначала преобразуется в цифровую импульсную последовательность и после этого передается. На приемной стороне происходит его обратное выделение. Защищенность от прослушивания данных сигналов высокая. Цифровая обработка сигналов имеет множество преимуществ перед аналоговой. Это – достижение более высоких параметров аппаратуры, упрощение управления процессом связи, простое решение задачи передачи данных и обеспечение абонентов дополнительным сервисом.
Переход к цифровым системам натолкнулся на некоторые трудности. В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым стандартом оказалась практически невозможной. Выход был найден в разработке двухрежимной аналого-цифровой системы, позволяющей совмещать работу аналоговой и цифровой систем в одном и том же диапазоне.
Разработанный стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS – сокращение от Interim Standard, т.е. «промежуточный стандарт»). В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем. Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM-900 – диапазон 900 МГц).
Цифровые ССПС по сравнению с аналоговыми системами предоставляют абонентам больший набор услуг и обеспечивают повышенное качество связи, а также взаимодействие с цифровыми сетями ISDN и возможность пакетной передачи данных (PDN).
Быстрорастущие потребности в широкополосном доступе в интернет породили дальнейшее развитие ССПС. В результате разработки сетей 3G и 3.5G появилось несколько различных стандартов: CDMA (Code Division Multiple Access) 2000, UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service) и WCDMA (Wide CDMA). Другое официальное название сетей третьего поколения - IMT-2000. Семейство стандартов обеспечивает высокую скорость симметричной и асимметричной передачи данных внутри сети, компактность и эффективность использования предоставленного спектра, возможность глобального роуминга.
Приход сетей третьего поколения позволил разрабатывать инновационные сервисы, внедрение которых в сетях 2 и 2.5G было попросту невозможно вследствие низкой пропускной способности радиоканала и невозможности или малой эффективности от применения QoS (Quality of Service). К числу таких сервисов относятся:
- видеозвонки;
- видеоконференции;
- мобильный и быстрый доступ в интернет;
- потоковое вещание (streaming);
- мобильное телевидение;
- звонки с улучшенным качеством передаваемых аудиоданных;
- новый виток развития мобильной электронной коммерции;
- мобильная связь работников с корпоративными сетями;
- возможность предоставления интернет-сервисов пользователям мобильной сотовой связи.
В табл. 8.1. дается сравнительный табулированный анализ характеристик наиболее распространенных в настоящее время цифровых систем.
Таблица 8.1 Сравнительные характеристики цифровых стандартов
|
Характеристика
|
CSM
(DCS 1800)
|
D - AMPS
(ADC)
|
JDС
|
CDMA
|
|
Число речевых каналов на несущую частоту
|
8 (16)
|
3
|
3
|
32
|
|
Рабочий диапазон частот, МГц
|
935-960
(1710-1785)±5
(1805-1880)
|
824-840
869-894
|
810-826
940-956
1429-1441
1447-1891
501-1513
|
824-840
869-894
|
|
Скорость передачи информации, кбит/с
|
270
|
48
|
42
|
57,6
|
|
Скорость преобразования речи, кбит/с
|
13 (6,5)
|
8
|
11,2 (5,6)
|
9,6
|
|
Радиус соты, км
|
0,5-35,0
|
0,5-20,0
|
0,5-20,0
|
0,5-25,0
|
Большую роль в быстром развитии сетей 3G сыграли производители мобильных телефонов, которые стали встраивать в телефоны стандартов 2G возможность работы с технологиями UMTS, CDMA2000, WCDMA. Таким образом, покупая обычный телефон бизнес-класса, человек получал возможность работы в сетях как второго, так и третьего поколения.
Рост Интернета, количества и качества интерактивных сервисов предполагает одновременное расширение каналов связи, которые связывают пользователя со всемирной паутиной. Теперь, когда скорости передачи данных модно измерять мегабайтами и гигабайтами в секунду, прежние технологии отходят в историю и на смену им приходят новые, которые позволяют связать все устройства воедино и управлять ими централизованно. Такие сервисы как онлайн-вещание популярных теле- и радиоканалов, VoIP-телефония становятся всё привычнее и доступнее обывателю. Разработанные технологии передачи данных для сетей 3G уже в некоторых случаях не могут справиться с поставленными перед ними задачами. И если для обычного пользователя задержки в передаче данных могут не играть роли, то для бизнес-приложений задержка на секунду может стоить тысяч или даже миллионов долларов. В таких ситуациях технологий UMTS, CDMA2000 и WCDMA оказывается недостаточно для быстрорастущих потребностей. Одной из главных целей, которые учитывались при разработке семейства стандартов 4G, является объединение всех видов коммуникаций в одну структуру.
Сети Wi-Fi, 3G, спутниковое видео- и аудиовещание, сети Wi-MAX и сети четвертого поколения 4G взаимодействe.n через комплекс устройств, называемый Internet Gateway Router, задачей которого является создание среды для прозрачного использования всех названных выше технологий и связи сетей Internet с наземными телефонными линиями. Это позволяет использовать не дорогостоящие технологии для передачи больших объемов данных, а уже существующие IP-сети, что, несомненно, должно сказаться на стоимости обслуживания сотовых сетей.
Главными нововведениями в сотовой связи четвертого поколения являются: технология уплотнения с ортогональным частотным разделением кодированных сигналов и использованием переменного фактора распространения (Variable-Spreading-factor Spread Orthogonal Frequency Division Multiplexing, VSF-Spread OFDM), а также система множественного ввода/вывода (Multiple Input Multiple Output, MIMO). Технология VSF-Spread OFDM позволяет использовать одновременно несколько частотных диапазонов, что дает возможность увеличить пропускную способность канала в несколько раз. Технология MIMO позволяет передавать информацию сразу по нескольким маршрутам от или к базовым станциям.
История Мобильной связи | The history of mobile communication
Видео 4 мин. 59 сек. Ссылка: https://youtu.be/DzVPsbJOSr4