1.История развития стандартов и поколений сотовой связи

1.1. Поколение 1G

Все первые системы сотовой связи были аналоговыми. К ним относятся:

AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) – широко используется в США, Канаде, Центральной и Южной Америке, Австралии; известен также как «североамериканский стандарт»;

TACS (Total Access Communications System – общедоступная система связи, диапазон 900 МГц) - используется в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония); это второй по распространенности стандарт среди аналоговых;

NMT 450 и NMT 900 (Nordic Mobile Telephone – мобильный телефон северных стран, диапазоны 450 и 900 МГц соответственно) - используется в Скандинавии и во многих других странах; известен также как «скандинавский стандарт»; третий по распространенности среди аналоговых стандартов мира; стандарт NMT 450 является одним из двух стандартов сотовой связи, принятых в России в качестве федеральных (второй - цифровой стандарт GSM 900);

С-450 (диапазон 450 МГц) - используется в Германии и Португалии;

RTMS (Radio Telephone Mobile System - мобильная радиотелефонная система, диапазон 450 МГц) - используется в Италии;

Radiocom 2000 (диапазоны 170, 200, 400 МГц) - используется во Франции;

NTT (Nippon Telephone and Telegraph system - японская система телефона и телеграфа, диапазон 800…900 МГц - в трех вариантах) - используется в Японии.

Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления (или сигнализации - signaling). Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот - применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access - FDMA), с полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц. С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем - относительно низкая емкость, являющаяся прямым следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.

Мобильные телефоны первого поколения были размером немногим меньше среднестатистического чемодана и состояли из базы и отдельной трубки, которую практически нельзя было носить с собой.

Начиная с середины 80-х годов, в мире начался интенсивный рост числа подвижных абонентов, который превзошел все самые смелые прогнозы и число абонентов аналоговых сетей с каждым годом стремительно уменьшается, а в некоторых странах наметился полный отказ от них.

1.2. Поколение 2G

В США аналоговый стандарт AMPS получил столь широкое распространение, что прямая замена его цифровым 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. Работа над соответствующим стандартом была начата в 1988 г. и закончена в 1992 г.; стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS - сокращение от Interim Standard, т.е. «промежуточный стандарт»). Его практическое использование началось в 1993 г. В Европе ситуация осложнялась наличием множества несовместимых аналоговых систем («лоскутное одеяло»).

Здесь выходом оказалась разработка единого общеевропейского стандарта GSM (GSM 900 - диапазон 900 МГц). Соответствующая работа была начата в 1982 году, к 1987 году были определены все основные характеристики системы, а в 1988 г. приняты основные документы стандарта. Практическое применение стандарта началось с 1991 г. Еще один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 г.; первоначально он назывался JDC, а с 1994 г. - PDC (Personal Digital Cellular - буквально «персональная цифровая сотовая связь»). Но на этом развитие цифровых систем сотовой связи не остановилось.

Стандарт D-AMPS дополнительно усовершенствовался за счет введения нового типа каналов управления.

Стандарт GSM, продолжая совершенствоваться технически (последовательно вводимые фазы 1, 2 и 2+), в 1989 г. пошел на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Это направление известно под названием системы персональной связи. Отличие последней от исходной системы GSM 900 не столько техническое, сколько маркетинговое при технической поддержке: более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами ячеек (сот) позволяет строить сотовые сети значительно большей емкости, и именно расчет на массовую систему мобильной связи с относительно компактными, легкими, удобными и недорогими абонентскими терминалами был заложен в основу этой системы. Соответствующий стандарт (в виде дополнений к исходному стандарту GSM 900) был разработан в Европе в 1990 - 1991 гг. Система получила название DCS 1800 (Digital Cellular System - цифровая система сотовой связи; первоначально использовалось также наименование PCN - Personal Communications Network, что в буквальном переводе означает «сеть персональной связи») и начала использоваться с 1993 г. В 1996 г. было принято решение именовать ее GSM 1800. В США диапазон 1800 МГц оказался занят другими пользователями, но была найдена возможность выделить полосу частот в диапазоне 1900 МГц, которая получила в Америке название диапазона систем персональной связи (PCS - Personal Communications Systems), в отличие от диапазона 800 МГц, за которым сохранено название сотового (cellular). Освоение диапазона 1900 МГц началось с конца 1995 г.; работа в этом диапазоне предусмотрена стандартом D-AMPS (версия IS-136, но аналогового AMPS в диапазоне 1900 МГц уже нет), и разработана соответствующая версия стандарта GSM («американский» GSM 1900 - стандарт IS-661).

1.2.1. Поколение 2.5G

Поколение 2.5G представлено стандартами GPRS и WiDEN.

Мобильные телефонные сети изначально были рассчитаны именно на передачу голоса. Поэтому, хотя GSM (Global System for Mobile Communications) и является цифровым стандартом, он предназначен для передачи голоса во время телефонного разговора и как результат не очень подходит для длительных высокоскоростных соединений.

Технология GPRS - то своеобразный мостик между обычными (GSM) сетями и сетями третьего поколения, позволяющий реализовать некоторые новые элементы на базе уже существующих сетей.

При связи мобильного телефона с базовой станцией мобильной сети по технологии GPRS данные транслируются в паузах между передачей голоса на частотах, которые в этот же момент могут использоваться для разговоров другими абонентами.

GPRS (англ. General Packet Radio Service - пакетная радиосвязь общего пользования) - надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю мобильного телефона производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет и предполагает тарификацию по объему переданной/полученной информации, а не времени.

Служба передачи данных GPRS надстраивается над существующей сетью GSM. При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передается через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы, такая технология предполагает более эффективное использование ресурсов сети GSM.

Абоненту, подключенному к GPRS, предоставляется виртуальный канал, который на время передачи пакета становится реальным, а в остальное время используется для передачи пакетов других пользователей. Поскольку один канал могут использовать несколько абонентов, возможно возникновение очереди на передачу пакетов, и, как следствие, задержка связи.

Технология GPRS использует GMSK-модуляцию. В зависимости от качества радиосигнала, данные, пересылаемые по радио эфиру, кодируются по одной из 4-х кодовых схем (CS1-CS4). Каждая кодовая схема характеризуется избыточностью кодирования и помехоустойчивостью, и выбирается автоматически в зависимости от качества радиосигнала.

GPRS по принципу работы аналогична Интернет: данные разбиваются на пакеты и отправляются получателю (необязательно одним и тем же маршрутом), где происходит их сборка. При установлении сессии каждому устройству присваивается уникальный адрес, что по сути превращает его в сервер. Протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, поэтому интеграция GPRS с Интернет незаметна конечному пользователю. Пакеты могут иметь формат IP или X.25, при этом не имеет значения, какие протоколы используются поверх IP, поэтому есть возможность использования любых стандартных протоколов транспортного и прикладного уровней, применяемых в Интернет (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, Jabber и др.). Также при использовании GPRS мобильный телефон выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес (постоянный или динамический).

1.2.2. Поколение 2.75G

EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution) - цифровая технология для мобильной связи, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS) сетями. Эта технология работает в TDMA и GSM сетях. Для поддержки EDGE в сети GSM требуются определённые модификации и усовершенствования. На основе EDGE могут работать: ECSD - ускоренный доступ в Интернет по каналу CSD, EHSCSD - по каналу HSCSD, и EGPRS - по каналу GPRS. EDGE был впервые представлен в 2003 году в Северной Америке.

В дополнение к GMSK (англ. Gaussian minimum-shift keying) EDGE использует модуляцию 8PSK (англ. 8 Phase Shift Keying) для пяти из девяти кодовых схем (MCS). EDGE получает 3-х битовое слово за каждое изменение фазы несущей. Это эффективно (в среднем в 3 раза в сравнении с GPRS) увеличивает общую скорость, предоставляемую GSM. EDGE, как и GPRS, использует адаптивный алгоритм изменения подстройки модуляции и кодовой схемы (MCS) в соответствии с качеством радиоканала, что влияет, соответственно, на скорость и устойчивость передачи данных. Кроме того, EDGE представляет новую технологию, которой не было в GPRS - Incremental Redundancy (нарастающая избыточность) - в соответствии с которой вместо повторной отсылки повреждённых пакетов отсылается дополнительная избыточная информация, которая накапливается в приёмнике. Это увеличивает возможность правильного декодирования повреждённого пакета.

В 2004 году наиболее активно EDGE был поддержан GSM-операторами Северной Америки, более, чем где-либо в мире. Причиной этому послужил сильный соперник: CDMA2000. Большинство других GSM-операторов рассматривали в качестве следующего шага развития технологию UMTS, поэтому предпочли либо пропустить внедрение EDGE, либо использовать его там, где будет отсутствовать покрытие UMTS-сети. Однако высокая стоимость и объём работ по внедрению UMTS (как показала практика) заставили некоторых западноевропейских операторов пересмотреть свой взгляд на EDGE как на целесообразный.

1.3. Поколение 3G

3G - «третье поколение», набор услуг, которые объединяют как высокоскоростной мобильный доступ с услугами сети Интернет, так и технологию радиосвязи, которая создает канал передачи данных.

3G - это не просто быстрый доступ к Интернету, это кардинально новый подход к общению, доступу к информации и т. д.

Термин 3G, как правило, используется для того, чтобы описать сервисы мобильной связи, которые обеспечивают мультимедийные сервисы, высокоскоростную интернет-связь и более высокое качество звука, и отличается от предыдущих стандартов более высоким качеством и ассортиментом предоставляемых услуг. Этот термин ввел  Международный Институт Электросвязи, он также определил стандарты и технические требования, а также правила и рекомендации использования спектра для систем 3G.

Среди особенностей 3G-технологии можно выделить, что помимо предоставления услуг видеоконференц-связи и интернет - доступа, пользователи 3G смогут иметь удаленный доступ к корпоративной сети. Эта технология целиком и полностью изменила восприятие такого понятия, как «мобильная работа», любой сотрудник компании может выполнять текущие рабочие задачи практически из любого места.

Основой мобильной связи третьего поколения стала технология IP, которая основана на пакетной передаче данных, что означает постоянное пребывание абонента в режиме on-line; при этом оплачиваться будет только объем переданной и полученной информации, а не время соединения, как это происходило раньше.

Рисунок 1. Поколения 2G-3G

Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона около 2 ГГц, передавая данные со скоростью 2 Мбит/с. Они позволяют организовать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы и т. д.

Мобильные сети третьего поколения (3G) отличаются от сетей второго поколения (2G), таких как например цифровой стандарт мобильной связи GSM и переходного поколения (2.5G), таких как например GPRS - гораздо большей скоростью передачи данных, а также более широким набором и высоким качеством предоставляемых услуг.

1.3.1. Поколение 3.5G

Переходное поколение 3.5G представлено стандартом HSDPA.

Для сотовых сетей сегодня существует несколько протоколов, увеличивающих скорость передачи данных. Однако фактически ни один из них не способен экономить ресурсы мобильной сети, что делает такой трафик дорогим и неэффективным. Задуманный ведущими производителями инфраструктурного оборудования мобильной связи протокол HSDPA призван повысить производительность сети именно за счет более эффективного использования радиоканала, в частности сокращением задержек при передаче пакетов. Технология HSDPA не несет в себе ничего нового, но изменяет представление пользователя о мобильных сетях передачи данных третьего поколения.

HSDPA (англ. High-Speed Downlink Packet Access - высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) - стандарт мобильной связи, рассматривается специалистами как один из переходных этапов миграции к технологиям мобильной связи четвертого поколения (4G). Максимальная теоретическая скорость передачи данных по стандарту составляет 14,4 Мбит/сек., практическая достижимая в существующих сетях - около 3 Мбит/сек.

По сравнению с UMTS, в сети HSDPA можно передавать в три раза больше данных и поддерживать вдвое больше пользователей на одну соту.

В ее основе лежит теория, согласно которой при сопоставимых размерах сот применение много кодовой передачи позволяет достигать пиковых скоростей порядка 10 Мбит/с (теоретически максимальная скорость передачи данных в этих условиях составляет 14,4 Мбит/с).

Стандарты 3GPP, которые станут пятой версии, нацелены на дальнейшее увеличение пропускной способности: достижение пиковых скоростей порядка 20-30 Мбит/с при помощи технологии Multiple и иных способов применения антенных решеток.

Кроме того, HSDPA значительно улучшает качество предоставляемых абоненту мультимедийных услуг (именно за счет высокой скорости задержка становится неощутимой, а объем передаваемой информации увеличивается). По словам главного аналитика Gartner Group по вопросам мобильной инфраструктуры Джейсона Чепмена, “ позиционирование HSDPA поможет ускорить внедрение сетей 3G. Эта технология предоставляет новые возможности для поддержки приложений, включая загрузку сетевого контента”.

1.4. Поколение 4G

1.5. "Пятое поколение"

В свое время одни системы мобильной спутниковой связи сильно "промахнулись" с передачей данных, а другие в силу разных причин оказались нерентабельными или нереализованными. Тем не менее прогрессивное человечество делает выводы из прежних ошибок, и сегодня в ряде стран, и в частности в США, ведутся разработки в направлении создания перспективной сети мобильной связи с использованием спутникового сегмента.

Сеть "5G" будет состоять из двух основополагающих элементов:

- технологические разработки компании Machine-to-Machine Intelligence (M2mi) Corp, называемые "универсальным транслятором";

- транспортная сеть на базе группировки наноспутников, разрабаты ваемых НАСА.

По словам исполнительного директора M2mi Corp. Джеффа Брауна, разрабатываемые технологии предназначены для создания среды, в которой мобильные устройства бесшовно взаимодействуют друг с другом в едином пространстве без вмешательства человека и без использования телекоммуникационного или Интернет-соединения, лишь по принципу mesh поверх Wi-Fi. Система "5G" будет сочетать системы передачи голоса, видео.

По данным официального пресс-релиза компании НАСА, сеть "5G" будет реализована на основе "транспортной" группы низкоорбитальных наноспутников, их количество может быть весьма значительным. Группировка обеспечит глобальное космическое покрытие новой высокоскоростной сети для современных телекоммуникаций. В рамках контракта, анонсированного в апреле 2008 г., НАСА в сотрудничестве с M2mi разработает новое поколение компактных наноспутников весом от 5 до 50 кг, отличающихся низкой себестоимостью и возможностью массового производства.

По мнению разработчиков, решения M2mi Corp. позволят осуществить переход от сетей 3G сразу к сетям "5G", основанным одновременно на нескольких передовых технологиях.