Типы и форматы сетей связи 2G 3G 4G 5G, описание и отличия

При пользовании мобильным телефоном, мало кто задумывается о том, как в нем происходят звонки и откуда появляется интернет. На самом деле, всё не на столько просто, как можно подумать. Существуют специализированные стандарты сотовой связи – это обобщающее обозначение для всех технологий, которые применяются при создании мобильной связи. Часть из этих стандартов схожа друг с другом. Стандарты создаются похожим путем и имеют практически одинаковые характеристики. На основании параметров все стандарты разделены по группам, называющимся поколениями. Отсюда и происходят известные всем обозначения 1G, 2G, 3G и 4G. Буква G в данном случае является сокращением от английского слова generation – поколение. Также Вы узнаете, как развивалась сотовая связь, и какие кардинальные различия существуют между ее поколениями.

GSM История возникновения стандарта

Название GSM первоначально было аббревиатурой группы, которая вела разработку этого стандарта. Позже ее значение было интерпретировано в нужном ключе и стало обозначать Глобальную систему для мобильной связи. В 1982 году стартовало создание GSM. Оно велось коалицией из 26 Европейских компаний, предоставлявших услуги связи. Цель состояла в том, чтобы объединить все европейские страны с единым стандартом связи, который будет работать на 900 мегагерц. Спустя 7 лет ETSI продолжил работу над развитием GSM. Стандарт начал полноценно работать только в середине 1991 года. При этом он наголову обходил ближайших конкурентов, таких как североамериканский PCS. После этого усовершенствование стандарта проводилось в 1993 году. После производились лишь улучшения текущей версии.

Частотный план GSM

GSM включает в себя несколько диапазонов частот, наиболее распространены: 900, 1800, 1900 МГц. Изначально под стандарт GSM был выделен диапазон 900 МГц. В настоящее время данный диапазон остаётся всемирным. В некоторых странах используются расширенные диапазоны частот, обеспечивающие большую ёмкость сети. Расширенные диапазоны частот называются E-GSM и R-GSM, в то время как обычный диапазон носит название P-GSM (primary).

• P-GSM900 890-915/935-960 MHz
• E-GSM900 880-915/925-960 MHz
• R-GSM900 890-925/935-970 MHz
• R-GSM1800 1710-1785/1805-1880 MHz

В 1990 г. для увеличения конкуренции между операторами, в Великобритании начали развивать новую версию GSM, которая адаптирована к диапазону частот 1800. Сразу после утверждения данного диапазона несколько стран сделали заявку на использование данного диапазона частот. Введение данного диапазона увеличило рост количества операторов, приводя к увеличению конкуренции и, соответственно, улучшению качества обслуживания. Применение данного диапазона позволяет увеличивать емкость сети за счёт увеличения полосы пропускания и, соответственно, увеличение количества несущих. Диапазон частот 1800 использует следующие диапазоны частот: GSM 1710-1805/1785-1880 MHz. До 1997 года стандарт 1800 носил название Digital Cellular System (DCS) 1800 MHz, в настоящее время носит название GSM 1800.

Читайте также:  Важно: сим-карта может лишить вас всех денег, и вы даже об этом не узнаете – что нужно знать?

В 1995 году в США была специфицирована концепция PCS (Personal Cellular System). Основной идеей этой концепции является возможность предоставления персональной связи, то есть связи между двумя абонентами, а не между двумя мобильными станциями. PCS не требует, чтобы эти услуги были реализованы на основе сотовой технологии, но в настоящее время эта технология признана наиболее эффективной для данной концепции. Частоты, доступные для реализации PCS, находятся в области 1900 МГц. Поскольку в Северной Америке стандарт GSM 900 не может быть использован из-за того, что эта полоса частот занята другим стандартом, стандарт GSM 1900 является возможностью заполнения этого пробела. Основным различием между американским стандартом GSM 1900 и GSM 900 является то, что GSM 1900 поддерживает сигнализацию ANSI.

Традиционно полоса 800 МГц была занята распространенным в США стандартом TDMA (AMPS и D-AMPS). Как и в случае со стандартом GSM 1800 этот стандарт дает возможность получения дополнительных лицензий, то есть расширяет область работы стандарта на национальных сетях предоставляя операторам дополнительную емкость.

Первое поколение мобильной связи (1G)

Данное поколение использовало в своей работе аналоговые стандарты, которые внедрялись в течение 1980-х годов. Впоследствии они были заменены цифровой технологией 2G, по всем параметрам превосходившей первое поколение. Принципиальное отличие между ними – возможность пользоваться СМС и шифровать звонки: только цифровой стандарт может позволить сделать это. Всего 1G поддерживал более 10 стандартов. Самые известные из них: NMT, AMPS, TACS, C-450, RtMI. Все они использовались отдельно, в зависимости от региона применения. Скорость загрузки при использовании 1G не превышала 5,6 килобайт в секунду, что является просто смешным по сегодняшним меркам.

Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи

Основные аналоговые сети использовали в своей работе частоты 450, 800 и 900 мегагерц. Radiocom 2000, стандарт, использовавшийся во Франции, выделяется из этого ряда: он применял диапазоны 170, 200 и 400 МГц.

Все аналоговые стандарты использовали частотную модуляцию для передачи исходных данных. Подвижная станция для работы по этим стандартам должна была иметь относительно высокую мощность — от трех до пяти ватт. Главный недостаток данных стандартов кроется в их низкой ёмкости, появляющейся из-за неполной экономичности использования выделенной полосы, работающей на частоте 12,5-30 килогерц. Это влекло за собой высокие потери эффективности и завышенное энергопотребление.

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.

Облучить и чипировать

Сети 5G должны обеспечить более высокую пропускную способность мобильного интернета по сравнению с 4G. Скорость ­передачи данных возрастёт в 100 раз, многократно увеличится трафик. При этом электроэнергии понадобится гораздо меньше – батарейки в гаджетах придётся менять раз в 10 лет.

Всё это нужно, чтобы создать интернет вещей: связать между собой бытовые приборы, обуст­роить «умные» дома, запустить по дорогам беспилотные автомобили – им-то для безопасного движения важна малейшая доля секунды. Предполагается, что сети 6G, внедрять которые будут в 2030-х, станут ещё быст­рее – скорости возрастут в тысячу и более раз по сравнению с нынешними, а управлять ими будет искусственный интеллект.

Если «нулевого» пациента, который первым подхватил корона­вирус, учёные ещё ищут, то имя инициатора 5G-истерии хорошо известно. В январе этого года бельгийский терапевт Крис Ван Керкховен дал местной газете интервью под броским заголовком «5G-связь опасна, и никто об этом не знает». Врач связал вспышку неизвестной инфекции в Китае (на тот момент умерли 9 человек) с установкой в Ухане сотовых вышек нового поколения. «Связь с нынешними событиями возможна», – сказал он.

Мозг-конспиролог. Почему мы верим, что Билл Гейтс хочет всех чипировать? Подробнее

Интервью провисело на сайте несколько часов, потом его удалили, но этого оказалось достаточно, чтобы раззадорить любителей конспирологии. Новый стандарт связи и раньше вызывал у них подозрения (это происходило при внедрении сетей каждого поколения, начиная с 2G), а исчезновение публикации с сайта лишь подстегнуло их: «Значит, есть что скрывать!»

Соцсети разносили цитаты бельгийского терапевта, ­охват аудитории приумножался разного рода знаменитостями с большим числом подписчиков, которые строчили твиты и выкладывали видео в YouTube. Среди них, например, голливудский актёр Вуди Харрельсон, певица Кери Хилсон, боксёр Амир Хан. В России тему подхватила «светская львица» Виктория Боня, в соседней Белоруссии – писательница Светлана ­Алексиевич.

«5G влияет». Писательница Алексиевич пропагандирует фейк о COVID-19 Подробнее

«Они заставляют нас сидеть дома, потому что не хотят, чтобы мы видели, как они устанавливают новые вышки», – писал в ­Инстаграме американский ­рэпер YG. Начитавшись подобных сообщений и комментариев, типа «Коронавирус – это прикрытие», «5G нас убивает», «Всё это нужно сжечь», люди ­перешли от слов к делу. С ­апреля в Великобритании зафиксировано более сотни актов вандализма: злоумышленники уничтожают вышки сотовой связи, в том числе поколений 3G и 4G, к которым у конспирологов претензий вроде не было и которые, наоборот, помогают им пропагандировать свои идеи через интернет.

Читайте также:  Куда пропадает память в iPhone и где ее искать?

В России теория заговора нашла отклик в горячих сердцах жителей Северной Осетии. Убеждать участников митинга, что связи между коронавирусом и сетями нового поколения нет (в России и самих сетей 5G ещё нет), вышел лично глава регио­на Вячеслав Битаров. Как он рассказал после беседы с людьми, некоторые из них думают, что эпидемия организована «какими-то мировыми силами, которые хотят загнать их в резервации, поставить антенны 5G, облучить, чтобы они потеряли сознание, а потом чипировать». Тем не менее местные жители сожгли обычную вышку около села Ногир, оставив населённый пункт без связи.

С призывом не верить в ­управление людьми через ­сети 5G выступил и глава Чечни Рамзан Кадыров. Он опроверг слухи, что в республику ­прибыла техника для установки таких вышек, и сказал, что «первым бы встал» против технологии ­чипизации.

«Защитит даже от чипирования». В Сети продают кремы и кепки от 5G-излучения Подробнее

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.

Три с половиной поколения сотовой связи

В конце 2006 года во всем мире начнут внедряться несколько новых стандартов сотовой связи. Слова «Damps» и «GSM», которыми нас еще недавно пугали рекламы отечественных сотовых операторов, очевидно, станут историей. И на их место придут трудновыговариваемые аббревиатуры «CDMA2000», 1xEV-DO или HSDPA. Основное их отличие от предшественников — это скорость передачи данных. Какой из этих стандартов выберут отечественные операторы, и что это принесет обычным потребителям? Ведь сегодня Россия не отстает от остального мира по темпами «мобилизации» населения и, пожалуй, уже ни один современный человек не может обойтись без сотового телефона.

Уже на протяжении нескольких лет сотовый телефон — больше чем телефон. Мобильные эволюционируют в смартфоны, они умеют работать с документами, делать фотографии, записывать и воспроизводить видео- и аудиофайлы, хранить данные, выходить в интернет и выполнять функции модема и факса. Это не говоря уже о функциях органайзера, калькулятора и, разумеется, часов. И мало кто задумывается, что телефон когда-то существовал лишь как средство голосового общения.

Эпоха сотовых телефонов началась в 80-х годах прошлого столетия. Сам термин «сотовая связь» обязан своим названием принципу работы системы связи: сигнал поступает от передатчиков, так называемых «сот», и протоколы связи автоматически перенаправляют сигнал к телефону при его переходе из зоны одной «соты» в другую. Первые сотовые телефоны были гораздо больше современных. Сначала это были громоздкие аппараты, которые встраивали в автомобили. Затем габариты сотового телефона были уменьшены до размеров небольшого чемодана, и, наконец, компания Motorola представила первую модель сотового, которая умещалась в ладони.

За счет дешевизны и быстроты установки сети сотовая связь быстро приобретала популярность во всем мире. В 1980 году в Норвегии была запущена первая сотовая сеть, а уже через год в большинстве Скандинавских стран и Саудовской Аравии функционировали сети с поддержкой международного роуминга.

Первые стандарты связи были аналоговыми и поддерживали только голосовую связь. Эти стандарты — NMT, AMPS, TACS, RTMI, C-Netz и Radiocom 2000 — называются сотовыми сетями первого поколения (1G).

Один из первых мобильных телефонов. Фото с сайта bsu.edu

Lenta.ru

Основным отличием второго поколения (2G) от первого стал переход от аналогового формата к цифровому. Несмотря на то, что 2G все еще не позволяли передавать большие объемы информации (такие как сообщения электронной почты, музыка или изображения) новый стандарт позволил значительно улучшить качество связи, так как цифровой сигнал менее подвержен искажениям, чем аналоговый, а также дал возможность операторам предоставить такие услуги, как конференц-связь и передача текстовых сообщений. В Европе основным стандартом сотовых сетей стал GSM. Однако прогресс не стоит на месте — так же как и потребности человека. И настоящее время произошел переход от сетей 2G к сетям 2,5G. Усовершенствованное второе поколение позволяет производить обмен информацией, то есть, кроме текстовых сообщений, мы можем обмениваться mms-сообщениями величиной 100 килобайт или скачивать мелодии на телефон. Проще говоря, сетям 2,5G мы обязаны появлению смартфонов.

Но ничто не стоит на месте, и многие компании-производители сотовых телефонов и компьютеров объявили о переходе на сотовые стандарты нового поколения. На четвертый квартал 2006 года в США, Азии и Европе намечен запуск сетей третьего поколения, или 3G. Сети третьего поколения созданы как для голосовой связи, так и для передачи информации, такой как обмен файлами, отправка электронной почты или mms, а также поддержки интернета. Главное отличие от сетей предыдущих поколений — это скорость. Современные сети 3G обладают скоростью передачи данных до 3 Мб/c. Первой страной, на территории которой 3G получил широкое распространение, стала Япония. В 2005 году около 40 процентов абонентов сотовых сетей пользовались сетями 3G, и окончательный переход на сети третьего поколения планируется там в 2006 году.

Читайте также:  Свердловская область — операторы связи, телефонные номера, коды

Беспроводные сети третьего поколения ориентированы прежде всего не на голосовую связь, а на передачу информации, а также на интеграцию беспроводной связи. Главная цель внедрения этих сетей — облегчение передачи информации между различными устройствами — от КПК и ноутбуков до плееров и мобильных телефонов. Несмотря на то, что стандарт 3G должен был стать единым унифицированным мировым стандартом связи, на деле сети третьего поколения были разделены на несколько типов.

Типичный смартфон. Фото с сайта wikipedia.org

Lenta.ru

Стандарт UMTS (Universal Mobile Telephone System), основанный на технологии W-CDMA — технология, применяемая в странах, использующих стандарт GSM (Европа). Это разработка компании 3GPP, создавшей GSM, GRPS и EDGE. FOMA, запущенный японской компанией NTT DoCoMo в 2001 году и считающийся первым коммерческим 3G-сервисом, также базируется на технологии W-CDMA, однако пока несовместим с UMTS (ведутся работы по настройке совместной работы стандартов). CDMA 2000 — стандарт, базирующийся на 2G CDMA, распространен в странах не-GSM стандарта, таких как США, Япония и Корея.

Новейшей разработкой в области сотовых сетей третьего поколения является созданный японской компанией NTT DoCoMo стандарт HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), получивший классификацию 3,5G. Новая технология позволяет достичь скорости обмена данных до 14 мегабит в секунду, что в несколько раз превышает скорость предшествующих ему протоколов связи. Несмотря на технологическое превосходство HSDPA над другими стандартами, пока неясно, станет ли он тем самым единым протоколом, который объединит мировые сотовые сети. Хотя косвенные доказательства этого уже есть — крупнейшие компании — производители мобильных телефонов анонсировали скорый выпуск телефонов, поддерживающих стандарт HSDPA. Также о поддержке этого стандарта заявила компания Dell, которая планирует выпустить серию ноутбуков c HSDPA уже в конце 2006 года. Стоит отметить, что несмотря на поддержку многих производителей, эксперты не уверены, что HSDPA получит широкое распространение в текущем году.

Сегодня основные разработки в сфере сотовой связи ведутся в области беспроводного интернета и передачи больших объемов информации. Станет ли формат 3,5G распространен в 2006 году, покажет время. Уже сейчас известно, что в разработке находится технология 4G, которая позволит достичь скорости передачи данных в 100 мегабит в секунду.

Архитектура сети GSM

Разберем пример идеальной модели сети. На рисунке изображенном ниже представлена модель, у каждой БС есть по 6 соседей. К примеру, эти станции расположены на гладкой поверхности, без холмов, деревьев, зданий и неровностей.

Базовая станция (БС) — это приемо-передающая станция, которая взаимодействует с вашим мобильным телефоном по радиоканалу. Зона охвата БС при таких условиях представляет окружность, которые будут пересекаться между собой. Если соединим точки пересечения окружностей, то получим шестиугольники – пчелиные соты.

Сеть подразделяется на 2-е основные системы BSS (Base Station System) – подсистема базовой станции и SSS – система коммутации. Эта система включает:

Мобильная станцияОбычный смартфон, которым мы пользуемся ежедневно. Соответственно, он содержит в себе, как приемник, так и передатчик для связи с базовой станциейМодуль определения абонента (SIM карта)Является неотъемлемой частью телефона и нужна для распознавания абонента в сети, для передачи закодированных сообщений.

BSC – контроллер базовой станции.

К его обязанностям относится:

• Распределение радиоканалов между базовой станцией и мобильной станцией;
• Контролирует соединение с мобильной станцией (МС);
• Уведомление МС о поступившем вызове;
• Контроль уровня выходной излучаемой мощности между мобильной и базовой станцией в течение разговоров абонентов.

Промежуточное звено между БС и системой коммутации является транскодер (TCE) — это оборудование, которое преобразует входные сигналы канала передачи голоса и данных из коммутационного центра в форму, соответствующую рекомендации GSM по радиоинтерфейсу.

Проще говоря, по проводным линиям, голос в цифровом виде отправляется со V=64 Кбит/с. Сигнал с одинаковой скоростью передаётся с выхода коммутационного центра. А уже между мобильной станции и БС речь передается со V=13 Кбит/с. Транскодер превращает 64 Кбит/с в 13.

Mobile Switching Center (MSC) переводится с английского как мобильный коммутационный центр. Коммутатор обслуживает ограниченную по территории группу сот, например в конкретном городе, и выполняет все виды соединений, нужных для работы МС.

Функции коммутатора:

Подключение между МС и определенными сетями электросвязи (со своего сотового телефона и коммутатора можно дозвониться до любого абонента городской сети)Управляет вызовами, осуществляет их маршрутизациюОтвечает за «эстафетную передачу» (хэндовер). В процессе этой функции при переходе МС из одной соты в другую осуществляется непрерывность связиСоздаёт исходные данные обязательные для выписывания счетов за оказанные услуги связи в биллинг-центрРегистрация местоположения МС. Например, при вашем перемещении из московской области в ленинградскую, все эти передвижения регистрируются в базе данных

Home Location Register (HLR) – «домашний» регистр местоположения. Это устройство содержит информацию о местонахождении любой из мобильных станций, что позволяет коммутационному центру отправлять вызов на эту станцию.

HLR это справочная база данных (БД) о регулярно регистрируемых абонентов в сети:

• Параметры достоверности пользователей;
• Определенные номера;
• Перечень оказываемых клиенту услуг связи;
• Спец. информация о маршрутизации;
• Оформление данных о роуминге.

Visitor Location Register (VLR) – Регистр местоположения посетителя.

Читайте также:  Отключение, подключение опции, тарифа на безлимитный мобильный интернет БИТ, СуперБИТ МТС для региона Белгород и Белгородская область

Это временная база данных абонентов, которые находятся в зоне действия конкретного коммутационного центра. Основная роль VLR заключается в минимизации количества запросов, которые MSC должны выполнять к регистру домашнего местоположения (HLR), который содержит постоянные данные, относящиеся к абонентам сотовой сети.

В идеале, должен быть только один регистр местоположения посетителя на MSC, но также возможно, чтобы один VLR обслуживал несколько MSC.

Преимущество системы — она уменьшает нагрузку на основную базу данных в «домашнем» регистре местоположений. В ней хранятся такая же информация, что и в домашнем регистре, пока абонент находится в зоне покрытия конкретного коммутационного центра.

Authentication Center (AUC) – центр аутентификации. Это функция в сети GSM, используемая для аутентификации мобильного абонента, который хочет подключиться к сети. Аутентификация осуществляется путем идентификации и проверки действительности SIM-карты.

Как только подписчик аутентифицирован, AUC отвечает за генерацию параметров, используемых для конфиденциальности, и шифрование радиолинии. Чтобы обеспечить конфиденциальность мобильного абонента, временная идентификация мобильного абонента (TMSI) назначается на время, в течение которого абонент контролируется конкретным центром коммутации мобильной связи (MSC), связанным с AUC.

Определяет достоверность пользователяВключает несколько блоков и создаёт ключи и алгоритмы аутентификацииСверяются права абонента и реализуется доступ к сети связиЦентр имеет несколько уникальных номеров, индивидуальный ключ и алгоритм аутентификации клиента, которые впоследствии отправляются в коммутационный центр

Equipment Identity Register (EIR) – регистр идентификации оборудования.

В регистре имеются специальные номера IMEI (международный идентификационный номер оборудования мобильной станции) практически на всех мобильных станциях, которые имеют доступ к конкретной сети связи.

База данных разделяется:

• Белый список – для авторизованной МС;
• Чёрный список попадают номера, которые были украдены, или лишенные доступа по любой другой причине;
• Серый для МС с проблемами данных программного обеспечения.

Управляющее звено сети, которая не включена в систему коммутации, является Operation and Maintenance Center (центром эксплуатации и технического обслуживания), сокращенно ЦЭиТО.

Operation and Maintenance Center проверяет и распоряжается остальными компонентами сети. В появления чрезвычайной ситуации ЦЭиТО уведомит персонал, и зарегистрирует сведения об аварийной ситуации. В зависимости от степени повреждения ОМС позволяет устранить ситуацию автоматически или с вмешательством персонала.

Для создания разумного иерархического управления сетью GSM, подходит Network Management Center (NMC) – сетевой операционный центр, который:

Ответственный за использование и тех. обслуживание на всём уровне сети, при поддержке региональных центровПри ЧС, к примеру, поломка механизма или перегрузка узлов, NMC обеспечит управление трафиком в сети и диспетчерское управление сетьюКонтролирует техническое состояние узлов управления, применяемых в оборудовании сети, и отображает состояние сети на мониторах для операторов центра управления сетью. Что позволяет работникам отслеживать процесс и помогать центрам эксплуатацииПерсонал отвечает за мониторинг одной или нескольких сетей на предмет определенных условий, которые могут потребовать особого внимания во избежание ухудшения качества обслуживанияОрганизации могут управлять более чем одним NMC, либо для управления различными сетями, либо для обеспечения географической избыточности в случае недоступности одного сайта