канал umts что это
Что такое 3G: UMTS, HSDPA, HSPA+, DC-HSPA+ и другие стандарты
Сотовые беспроводные сети стали использоваться операторами для выхода Интернет достаточно давно. Сначала скорости передачи данных не поражали воображение, иными словами «интернет был медленным». В сетях первого поколения 1G скорость не превышала 9600 Бит/с, т.е. меньше 10 Кбит/с. Однако, рынок рос, сетевые услуги становилось всё более и более востребованными, соответственно росли и объёмы информации, требовались более высокие скорости. В сетях второго поколения 2G было реализовано несколько стандартов, некоторые из которых используются до сих пор: GPRS (до 171,2 Кбит/с) и EDGE (до 384 Кбит/с). В современных реалиях такие скорости конечно уже не могут отвечать возросшим потребностям пользователей. Наиболее распространенными сетями в России сейчас являются сотовые сети стандарта 3G.
Однако, 3G тоже бывает разный. Рассмотрим все популярные стандарты в сетях 3G.
Основной несущей частотой в стандарте 3G является 2100 МГц, а точнее диапазон 2110-2200 МГц. Для UMTS характерная ширина канала 5 МГц. Скорость доступа в Интернет в режиме UMTS не превышает 2 Мбит/с.
HSDPA
Этот стандарт так же можно отнести к первому поколению сетей 3G, но он уже значительно быстрее UMTS. Пропускная способность в начальной версии HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) составила 1,8 Мбит/с, но наибольшее распространение, в том числе и в России, получила вторая версия HSDPA со скоростью до 3,6 Мбит/с. Было выпущено достаточно много 3G модемов именно с такими скоростными характеристиками. Многие из этих «динозавров» используются до сих пор. Следующим развитием стандартна HSDPA стало достижение скорости 7,2 Мбит/с, а затем 14,4 Мбит/с. Это уже вполне неплохие скорости, но следует понимать, что это теоретический пропускной канал, реальные скорости обычно значительно меньше. Апогеем эволюции HSDPA стал его двухканальный вариант, называемый также DC-HSDPA, скорость достигла 28,8 Мбит/с. Сети 3G HSDPA/DC-HSDPA до сих пор используются во многих регионах России, однако при модернизации уступают своё место или HSPA+, или уже сразу 4G LTE.
Технология базируется на предшествующем стандарте HSDPA, однако позволяет получить значительно большую скорость. Уже в стартовом варианте HSPA+ (High Speed Packet Access) даёт скорость до 21,6 Мбит/с. Именно такой вариант сейчас в основном используется в сетях 3G. Ширина канала также составляет 5 МГц, и все современные 3G/4G модемы поддерживают данный режим работы. Многие относят сети HSPA+ к так называемому переходному поколению 3.5G, однако это не совсем корректно.
DC-HSPA+
Самый быстрый из используемых стандартов сетей 3G. По сути это двухканальный HSPA+ с шириной канала 10 МГц. Соответственно и максимальная скорость в 2 раза выше — до 43,2 Мбит/с. Такие сети часто называют даже 3.75G, т.е. уже почти 4G. И действительно, в сетях DC-HSPA+ реальная скорость доступа в Интернет часто сопоставима с показателями 4G.
UMTS что это такое в телефоне — Разбираемся детально
Задумываться о возможностях UMTS, что это такое в телефоне и чем отличается такая технология, приходилось не каждому владельцу мобильного устройства. Притом что это третье поколение связи, которое используется в любом современном смартфоне и большинстве кнопочных моделей вместе с более современными версиями HSPA и HSPA+.
История и распространение
Разработку UMTS начали в 1992 году для распространения в странах Европы. Предполагалась, что она будет использоваться только для передачи голоса, но позднее к её возможностям добавили передачу других видов информации.
Основные этапы развития можно представить в виде следующего списка:
Суть технологии
Переход мобильных операторов на UMTS позволил улучшить скорость связи, повысить функциональность и количество услуг.
Для абонентов нововведение предоставило такие преимущества:
Мобильным операторам связь UMTS позволила унифицировать разнообразные системы беспроводного доступа и увеличить ассортимент предложений для своих клиентов.
Недостатки здесь тоже есть. Несмотря на необходимость таких систем для большинства пользователей, зона покрытия UMTS значительно меньше по сравнению с 2G. Так, отправляясь в отдалённые от центра России регионы, можно попасть в такие районы, где отсутствует поддержка 3G при наличии 2G.
В Европе разницы практически нет – если не считать страны Скандинавского полуострова, покрытие 3G и 4G практически стопроцентное.
Основные возможности
В соответствии с требованиями международной организации ITU, 3G-технологии должны обеспечивать передачу информации и голоса. Средняя пропускная способность зависит от мобильности абонентов:
Стандарт применялся и продолжает использоваться не только мобильными телефонами, но и планшетами, и модемами, которые можно подключать к ноутбуку или ПК для беспроводного соединения с Интернетом. Технология поддерживается и компьютерами, оборудованными модулем 3G.
Структура и оборудование
Система коммутации UMTS сначала практически не отличалась по структуре от предыдущего поколения 2G. Она включала коммутационные центры типа MSC (Mobile Switching Centre) для управления соединениями и тарификацией, а также регистры AUC, HLR и VLR, где хранились абонентские данные.
Более современная версия той же системы включала уже два типа устройств – MSC-Server и MGW. Первые отвечали за тарифы, аутентификацию и соединения, вторые представляли собой подчинённые серверам коммутационные поля.
Заметно изменилась в новой технологии подсистема базовых станций, благодаря которой сеть и получила такие преимущества, как высокая скорость передачи данных:
Принципы работы
К основным преимуществам использования сетей 3G относят экологическую безопасность. Максимальная мощность излучения их передатчиков не больше 200 мВт, средняя не превышает 20-40 мВт.
Среди других особенностей стандарта – усиленная защита от прерывания сигнала при движении.
В результате от первого источника информации данных поступает всё меньше, от других, принимающих эстафету – всё больше. Постепенно информация начинает передаваться абоненту только от одной, ближайшей к нему станции.
Частотное и временное разделение каналов приводит к задержке передачи сведений и обрыву связи, после чего абоненту приходится заново подключаться к Интернету или перезванивать собеседнику.
Дополнительные параметры
Интерфейс системы UMTS состоит из каналов, ширина полосы которых для каждого соединения составляет 5 МГц. Это в 4 раза больше по сравнению с конкурирующим 3G-стандартом CDMA2000 с 1,25-мегагерцными полосами.
Это обеспечивает технологии ряд преимуществ по сравнению с W-CDMA – сетями, использующими спектр неэкономично.
Спектр частот, используемый стандартом UMTS:
Существуют и нестандартные диапазоны, используемые в отдельных регионах и конкретными компаниями.
Например, американский оператор AT&T Mobility применяет полосы от 850 до 1900 МГц. Финские власти поддерживают стандарт UMTS900, достаточно редкий и использующий диапазон 900 МГц. В проекте по развитию технологии участвовали такие компании как Elisa и Nokia.
UMTS в 2021 году
UMTS обеспечивает высокую скорость передачи данных даже при движении. Использовать её можно для решения разных задач – но распространение стандарта практически прекращено из-за появления более современных версий.
Четвёртое поколение технологии (LTE или 4G) обеспечивает передачу информации при движении абонента на скорости до 100 Мбит/с, превышая показатели UMTS в 50 раз.
Пользователи, которые получают доступ, передвигаясь с небольшой скоростью или оставаясь неподвижными, могут рассчитывать на 1 Гбит/с – больше, чем способны передавать некоторые проводные маршрутизаторы.
Пятое поколение связи действует на базе телекоммуникационных стандартов, которые следуют за технологией 4G. Система пока ещё не до конца разработана и введена, а большинство мобильных устройств не комплектуется необходимыми модулями.
Предполагается, что такая связь повысит надёжность передачи данных, уменьшить энергопотребление и скорость доступа к Интернету.
Прогнозы развития современных сетей предполагают постепенный переход с 3G и 4G к пятому поколению. Инфраструктура 5G к 2030-м годам обеспечит больше 20 миллионов рабочих мест, повысив значимость Интернета вещей IoT.
Тестирование технологии уже началось в 2018 году. Предполагаемая скорость передачи данных первых версий системы – до 20 Гбит/с. Величина задержки при отправке информации – не больше 4 мс.
Эппл собирается создать свою систему, отличающуюся от аналогов длиной волны и частотой, а первые тесты начнутся во второй половине 2019 года. А если «правило 10 лет» окажется верным, к 2030 году можно ожидать и ещё одну сеть – 6G (10-30 Гбит/с, 1 мс задержки).
Как устроена сеть сотовой связи GSM/UMTS
В комментариях к постам про сеть WiMAX (1, 2) и про GPRS был выражен интерес к сетям сотовой связи, поэтому решил реализовать свою давнюю задумку и описать хабрасообществу как же устроены современные сети сотовой связи.
На приведённой картинке изображена общая структура сетей сотовой связи. Изначально сеть разделяется на 2 больших подсети — сеть радиодоступа (RAN — Radio Access Network) и сеть коммутации или опорную сеть (CN — Core Network).
Хочу подчеркнуть, что буду описывать именно существующие сети сотовой связи для СНГ, потому что в Европе, Америке и Азии сети более развиты и их структура несколько отличается от наших сетей, про это напишу как-нибудь позже, если будет интерес.
Сперва, хотелось бы рассказать в общих словах про сеть, а потом более подробно расскажу про функции каждого из элементов сети.
Сеть радиодоступа
Существующие сети радиодоступа у наших операторов — продукт долгой эволюции, поэтому они состоят из сети радиодоступа к GSM (GERAN — GSM EDGE Radio Access Network) и сеть радиодоступа к UMTS (UTRAN — UMTS Terrestrial Radio Access Network). Сверху слева на картинке вы видите GERAN, внизу слева, соответственно UTRAN. Наибольшие изменения при переходе от GSM к UMTS происходят как раз в сети радиодоступа — оператору нужно построить вторую сеть и заново покрыть уже имеющиеся территории.
Сеть радиодоступа — эта та паутина, которой охвачены огромные территории городов и открытых местностей, за счёт неё как раз и обеспечивается то огромное погрытие, которое предоставляют сети сотовой связи.
Опорная сеть
Опорная сеть — ядро сетей сотовой связи. Название опорная — мой вольный перевод, в GSM эту часть сети называют сетью коммутации, в UMTS — Core Network, что по сути можно перевести как ядро сети. К этому ядру, как периферийные устройства к системному блоку, могут подключаться различные сети радиодоступа. Опорная сеть мало эволюционирует в связи с эволюцией от GSM к UMTS, эта сильная эволюция происходит немного позже — её уже прошли западные и азиатские операторы, у нас же она только начинается.
Опорная сеть на приведённой выше картинке разделена на 2 части — верхняя правая часть отвечает за голосовые соединения, или CS-соединения (Circuit Switch), нижняя правая часть отвечает за пакетные соединения, или же PS-соединения (Packet Switch).
Опорная сеть сосредоточена в одном или нескольких зданий, принадлежащих оператору сотовой связи, в больших машинных залах — проще говоря огроменнейшая серверная, где стоит большое количество шкафов оборудования, их ещё холодильниками иногда называют, потому что с виду очень похожи 🙂
HLR — Home Location Register, Регистр положения домашних абонентов.
По сути это большая база данных, в которой хранится всё об абоненте данной сети. В крупных сетях, таких, как у операторов большой тройки, таких узлов несколько — они разбросаны по регионам. Их количество измеряется единицами штук. Для того, чтобы понимать порядки — в Питере такой узел один, в Москве другой, на Урале ещё один, ещё на Кавказе, в Сибири — 3-4 штучки… На практике это может быть распределённая БД, потому что ёмкости одного HLR может не хватить для хранения данных обо всех абонентах. Тогда оператор докупает ещё один HLR (физическое устройство) и организует распределённую БД.
Какая же информация там хранится? По большей части, это информация об услугах, подключенных у абонента:
— может ли абонент совершать исходящие звонки
— может ли абонент отправлять/принимать SMS
— разрешена ли услуга конференц-связи
— ну и все остальные возможные услуги
Также здесь хранится такая важная информация, как идентификатор того MSC, в зоне действия которого сейчас находится абонент. Позже мы увидим для чего это может быть нужно.
MSC/VLR
MSC — Mobile Switching Center, центр коммутации для мобильных абонентов;
VLR — Visitor Location Register, регистр положения гостевых абонентов.
Логически это 2 раздельных узла, но на практике, это реализовано в одном и том же устройстве.
VLR хранит в себе копию тех данных, которые записаны в HLR с той лишь разницей, что тут уже нет информации о том MSC, в зоне действия которого находится абонент. Здесь хранится информация о том, в зоне действия какого BSC находится данный абонент. Ну и здесь, естественно, хранятся данные только о тех абонентах, которые сейчас находятся в зоне действия того MSC, к которому подключен данный VLR. 
MSC — классический коммутатор (конечно, не такой классический, который можно увидеть в музеях, где сидели бабушки и перетыкали проводки). Основные его функции — для исходящего вызова — определить куда переключить вызов, для входящего же соединения — определить на какой BSC отправить вызов. Для выполнения этих то функций он и обращается в VLR за хранящейся там информацией. Здесь стоит заметить, что это плюс разнесения HLR и VLR — MSC не будет стучаться в HLR каждый раз, когда абоненту что-то нужно, а будет всё делать своими силами. Также MSC собирает данные для биллинга, далее эти данные скармливаются соответствующим системам.
AUC — AUthentication Center, центр аутентификации абонентов. Этот узел отвечает за то, чтобы злоумышленник не мог получить доступ к сети от вашего лица. Также этот узел генерирует ключи шифрования, с помощью которых шифруется ваше соединение с сетью в самом уязвимом месте — на радиоинтерфейсе.
GMSC — Gateway MSC, шлюзовой коммутатор. Этот узел сети используется только при входящих вызовах. У операторов есть определённая номерная ёмкость, этой номерной ёмкости сопоставляются шлюзовые коммутаторы сетей связи (сотовых, фиксированных). Когда вы набираете номер друга, ваш звонок доходит до коммутатора (MSC) вашей сети и он определяет куда дальше отправить этот вызов на основе имеющихся у него соответствий между номерами и шлюзами сетей. Звонок отправляется на GMSC сотового оператора, которым пользуется ваш друг. Далее GMSC делает запрос в HLR и узнаёт в зоне действия какого MSC сейчас находится вызываемый абонент. Туда дальше и перенаправляется вызов.
SGSN — Serving GPRS Support Node, обслуживающий узел поддержки GPRS. Этот узел отвечает за то, чтобы определить каким образом предоставлять услуги на основе запрошенной APN (Access Point Name, точки доступа, например, mms.beeline.ru). Также на этом узле осуществляется посчёт трафика.
GGSN — Gateway GPRS Support Node, шлюзовой узел поддержки GPRS. Ну это шлюз, отвечает за правильную доставку пакетов до пользователя.
BSC — Base Station Controller, контроллер базовых станций. Узел, к которому подключаются базовые станции, дальше он осуществляет управление базовыми станциями — назначает какому абоненту где сколько ресурсов выделить, определяет каким образом осуществляются хэндоверы. Когда с MSC приходит сигнал о входящем соединении для абонента, контроллер осуществляет процедуру пейджинга — через все подчинённые ему базовые станции посылает вызов данному абоненту, который должен отозваться через одну из базовых станций.
TRC — TRansCoder, транскодер. Устройство, отвечающее за перекодирование речи из формата GSM в стандартный формат телефонии, используемый в фиксированных сетях связи и обратно. Таким образом, получается, что речь передаётся в формате сетей фиксированной связи в сети GSM на участке от GMSC до TRC.
BTS — Base Transceiver Station, базовая приёмопередающая станция. Это то, что непосредственно находится близко к самому пользователю. Именно базовые станции образуют ту самую паутину, которой накрывают операторы сотовой связи, именно от их количества зависит территория, на которой предоставляют услуги операторы сотовой связи. По сути — довольно глупое устройство, оно обеспечивает выделение пользователям отдельных каналов связи, преобразует сигнал в высокочастотный, который будет передаваться в эфир, ну и выдаёт этот самый высокочастотный сигнал на антенны. А вот антенны то мы и можем наблюдать каждый день.
Хочу заметить, что антеннки — это не есть базовая станция 🙂 Базовая станция похожа на холодильник — шкафчик с модулями, который стоит в специальном месте. Это специальное место — например, синенькие вагончики, которые ставятся под красно-белыми вышками где-нибудь в пригороде.
Более подробно можно почитать в недавно опубликованной статье про базовые станции.
RNC — Radio Network Controller, контроллер сети радиодоступа. По сути выступает в той же роли, что BSC в GERAN.
NodeB
NodeB, базовая станция в UMTS. Аналог BTS в GSM.
В целом, здесь описаны все жизненно важные элементы сети GSM/UMTS. Здесь я не упоминал ещё некоторые узлы, такие как SMS-C (SMS-Center), MMS-C (MMS-Center), WAP-GW (WAP-Gateway).
Если статья вызовет интерес, то в дальнейшем могу рассказать более подробно про сети радиодоступа GERAN и UTRAN, потому что я занимаюсь по большей части именно радийными вещами.
Также уже есть идеи для ряда статей на основе вопросов, вызвавших интерес, в комментариях к статьям по телекоммуникациям, пока не буду раскрывать интригу — задавайте интересные вопросы — будут интересные статьи! 😉
UPD: в комментариях отписались эксперты в своих областях, что очень интересно почитать:
1. Ветка про ПО, устанавливаемом на оборудовании;
2. Ветка про отличия наших (СНГшных) сетей и сетей в Европе/США/Азии;
3. Комментрии от пользователя DeSh с поправлениями и уточнениями: тыц, тыц.
Да и вообще в комментариях довольно много всего интересного всплыло помимо выделенных мной комментариев.
Высокоскоростные сети мобильной связи поколения 3G.
Часть 1. Технология сетей мобильной связи UMTS
Мировой рынок систем мобильной связи является одним из наиболее выгодных. В нем задействован практически каждый человек в любой стране. Конкуренция на этом рынке очень жесткая. Технологии мобильной связи непрерывно совершенствуются. Основное направление развития этой области связано с увеличением скорости передачи и улучшением качества связи. Ведущие мировые производители комплектующих и оборудования для систем мобильной связи вкладывают огромные средства в новые разработки. Поэтому постоянно появляются новые технологии и стандарты. Соответственно, возникают новые термины и названия.
Поскольку вся документация по технологии и стандартам мобильной связи в оригинале подготавливается на английском языке, то даже специалистам в англоязычных странах не всегда понятны некоторые новые термины. Если говорить о переводе этой документации на русский, то можно смело утверждать, что в нашей стране, по крайней мере в Рунете, нет единого подхода к трактовке терминов и определений. За последние несколько лет в России появилось достаточно много словарей и глоссариев. К сожалению, нужно отметить как разночтение, так и ошибки в телекоммуникационной терминологии. По существу, мало кто сможет сразу сказать, в чем заключается принципиальная разница между технологиями UMTS, HSDPA, HSUPA, HUPA, HUPA+, LTE. Вместе с тем эти термины позиционируются производителями в технических характеристиках предлагаемого оборудования как показатель преимущества и новизны.
Для бытовых мобильных телефонов существуют адаптированные переводы технических характеристик на русском языке, одобренные в процессе получения российских сертификатов. Для базовых модулей, поддерживающих высокоскоростные технологии, ситуация значительно сложнее. Некоторые производители, особенно это касается китайских вендоров, приводят теоретически возможные параметры своих модулей, естественно, не упоминая, что в реальных условиях эти параметры не могут быть реализованы в принципе.
Чтобы помочь потребителю избежать возможных ошибок и квалифицированно выбрать необходимый GSM/GPRS/EDGE/UMTS/HSDPA/ HSUPA/LTE-модуль, а также понять соотношение цены, технических возможностей изделия. В данном цикле статей сделана попытка объяснить в общих чертах суть новых высокоскоростных технологий мобильной связи поколения 3G и их реализацию в базовых модулях ведущих мировых производителей.
Сети мобильной связи третьего поколения 3G
Сети 3G (third generation) — это третье поколение сетей мобильной связи, разработанное на базе технологии пакетной передачи данных [1]. Их появление было вызвано необходимостью удовлетворить возрастающий мировой спрос на высокоскоростные технологии. Современные сети 3G используются в следующих областях:
Рис. 1 иллюстрирует эволюцию двух основных ветвей мобильной связи. Одна из них соответствует технологии CDMA One/CDMA2000. Эти сети в России представляет SkyLink. Их следующее поколение известно как технология EV-DO (Evolution-Data Optimized). В М2М-приложениях наибольшие перспективы сети третьего поколения будут иметь в охранных сигнализациях с передачей видеоизображения, в беспроводных АСКУЭ, в системах контроля движения транспорта, в сложном медицинском диагностическом оборудовании и других областях, где скорость передачи имеет решающее значение. Как показала практика, из-за неудачного частотного диапазона это направление вряд ли будет широко использоваться в России именно в М2М-приложениях. Поэтому мы не будем подробно останавливаться на технологии CDMA2000 в нашей статье.
Сети, поддерживающие GSM, развиваются по направлению GSM/GPRS/EDGE/WCDMA/ HSPA/HSPA+. Про технологии GSM, GPRS, EDGE написано много и достаточно подробно. Поэтому перейдем сразу к технологии WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access).
Стандартизацией сетей 3G в настоящее время занимается Международный Союз Электросвязи (International Telecommunications Union, ITU). С этой целью была разработана группа стандартов, объединенных общим названием International Mobile Telecommunications 2000 (IMT-2000). В процессе разработки этих стандартов в рамках ITU были сформированы два независимых объединения, получившие названия 3GPP (3rd Generation Partnership Project) и 3GPP2. В первое объединение входят ETSI (Европа), ARIB (Япония), Комитет T1 (США), а также три региональных органа стандартизации от Азиатско-Тихоокеанского региона — CWTS (Китай), TTA (Корея) и TTC (Япония). В 3GPP2 — ассоциация TIA (представленная подкомитетами TIA TR-45.3 и TIA TR-45.3) и ряд азиатских региональных организаций: ARIB, CWTS, TTA и TTC. Не углубляясь в особенности работы каждой из групп, отметим, что 3GPP разрабатывает стандарты для нижней ветви направлений развития, показанных на рис. 1 (WCDMA), а 3GPP2 отвечает за стандарты направления CDMA One (IS-95)/CDMA2000, которые в настоящее время широко распространены в США. Это направление выходит за рамки данной статьи.
В семейство IMT-2000 входят пять стандартов 3G. Более подробно о них можно прочитать в [3]. Необходимо особо подчеркнуть, что спецификации 3GGP UMTS, так же как и другие международные стандарты, определяют центральную базовую частоту и рекомендуют наилучший вариант полосы. Конкретные частоты под определенные стандарты выделяются непосредственно в каждой стране контролирующими организациями в соответствии с загруженностью всего частотного диапазона. На рис. 2 приведены рекомендованные диапазоны частот для различных регионов мира [5].
На заседании ГКРЧ при Министерстве информационных технологий и связи РФ, состоявшемся 23.10.2006 (протокол 06-17), для создания сетей подвижной радиотелефонной связи стандарта IMT-2000/UMTS (IMT-DS и IMT-TC) в Российской Федерации выделены следующие частоты:
При этом минимально необходимый радиочастотный спектр для функционирования сети подвижной радиотелефонной связи стандарта IMT-2000/UMTS составляет два непрерывных участка по 15 МГц в полосах радиочастот 1935-1980 МГц и 2125-2170 МГц для организации трех каналов в режиме частотного дуплекса (IMT-DS) и непрерывный участок (5 МГц) в полосе радиочастот 2010-2025 МГц для организации одного канала в режиме временного дуплекса (IMT-TC) [6].
В конце 2010 г. ГКРЧ принял решение о выделении дополнительных частот для сетей стандарта IMT-2000/UMTS на территории Москвы и Московской области [7]:
Таким образом, в России (по крайней мере, в Москве) созданы все условия для развертывания сетей 3G, 3,5G, 4G. Следует, однако, обратить внимание на то, что возможность развертывания сети UMTS в частотном диапазоне 900/1800 МГц в РФ разрешена при наличии у сотового оператора парных полос частот 2×4,6 МГц.
В таблицах 1 и 2 приведены основные технические характеристики разрешенного для использования на территории РФ оборудования, предназначенного для сетей стандарта IMT-2000/UMTS.
В проектах, разрабатываемых объединением 3GPP, задействовано два базовых радиоинтерфейса [1]:
Стандарт IMT-DS (IMT-2000 Direct Spread) базируется на протоколах WCDMA (UTRA FDD) и предназначен для использования в парных полосах частот. В технологии WCDMA используется широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов. В базовом варианте используются две широкие полосы радиочастот по 5 МГц. В документах 3GPP термин WCDMA обозначает стандарт сотовой сети, который является надстройкой над GSM и работает в диапазоне 1900-2100 МГц.
Идея кодового разделения каналов при передаче «вниз» от базовой станции (БС) к абонентской станции (АС) сводится к следующему. На стороне базовой станции каждому из множества информационных потоков, предназначенных для некоторого числа абонентов, присваивается своя уникальная кодовая псевдослучайная последовательность. При этом бинарные информационные потоки модулируются своей собственной псевдослучайной последовательностью. Несущая частота модулируется сложным результирующим широкополосным сигналом. Канальные широкополосные сигналы складываются в суммирующем устройстве. Подготовленный таким образом пакет данных передается в эфир.
Абонентская станция знает кодовую последовательность, предназначенную только для нее. Принятый сигнал преобразуется из высокочастотного в низкочастотный и поступает на вход коррелятора. На другой вход коррелятора синхронно поступает кодирующая псевдослучайная последовательность.
Полезный сигнал на выходе коррелятора возникает только в том случае, когда в сложном сигнале присутствует заранее заданная псевдослучайная последовательность. В стандартах IMT-2000 для систем 3G использованы методы FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex). Разделение каналов по времени подразумевает передачу каждого бинарного потока строго в своем временном окне. Временное разнесение прямого и обратного каналов связи в ряде случаев имеет множество преимуществ над частотным. Совместное использование этих двух методик позволяет изменять пропускную способность и способы организации связи. Достигается это за счет того, что парные полосы частот выделяются для систем с частотным дуплексным разносом (FDD), а непарные — для систем с временным дуплексным разносом (TDD). При больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов метод FDD более эффективен. Вариант TDD предназначен для случаев, когда абонент передвигается с невысокой скоростью [3].
В стандартах мобильной связи 3G термин UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) означает название радиоинтерфейса наземного доступа в систему UMTS. Поскольку существуют раздельные стандарты для оборудования наземного, морского и космического базирования, то термин Terrestrial подчеркивает категорию размещения именно на суше.
Отмеченный выше радиоинтерфейс TDMA/ CDMA предназначен для организации связи в непарных полосах частот и представляет собой удачное сочетание двух различных технических решений — европейского предложения UTRA TDD и китайского TD-SCDMA.
Этот вариант используется также в тех странах, которые ориентируются в качестве опорной на технологию GSM. Отметим, что на сегодня в наиболее популярных версиях мобильных телефонов используется стандарт WCDMA (IMT Direct Spread). Стандарт DECT EP (ETSI) объединяет две технологии — широкополосный доступ WCDMA и комбинированный доступ TDMA/CDMA.
Технология сетей мобильной связи UMTS
Европейским институтом по стандартизации в области телекоммуникаций (European Telecommunications Standards Institute, ETSI) специально для Европы была разработана технология UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) — «универсальная мобильная телекоммуникационная система» 4. Практически UMTS является европейской версией концепции IMT-2000. Технология WCDMA здесь применятся в качестве радиоинтерфейса. Необходимо подчеркнуть, что UMTS и WCDMA — это два различных понятия, хотя в настоящее время их употребляют в качестве синонимов.
Технологию UMTS часто рассматривают, как переходный вариант между существующими 2G и разрабатываемыми 3G-4G-технологиями. Иными словами, UMTS позволяет осуществить более мягкий переход на следующий этап развития сетей мобильной связи без заметного изменения существующего оборудования. В этой технологии в качестве базовой магистральной сети используется GSM MAP, а в качестве сетей радиодоступа применяются комбинированные сети GSM/EDGE и WCDMA. Сети WCDMA надстраиваются над существующими сетями GSM, при этом они работают параллельно. Абонентская станция автоматически переключается между сетями. Первая редакция спецификации UMTS получила название 3GPP R99 [5].
UMTS объединяет в себе две различные методики передачи радиосигнала: GSM’s Mobile Application Part и GSM family of speech codecs. Для наземных передающих устройств, использующих UMTS, регламентируется несколько интерфейсов UTRA. Спецификация 3GPP Release 4 ввела в стандарт шлюзы среды, сервер центра коммутации подвижной связи (MSC) и шлюз сигнализации (SGW MGW). Это позволило логически разделить пользовательские данные и информацию сигнализации в MSC. Кроме того, в этой спецификации подробно описан универсальный базовый блок радиодоступа к сети UMTS (UTRAN). Также реализована поддержка высоких скоростей передачи данных вплоть до 2 Мбит/с. В настоящее время существует одиннадцать спецификаций 3GPP. Особенности каждой из них будут отмечены далее.
Структурные схемы блоков UMTS и UTRAN показаны на рис. 3 и 4 [5]. Использованы следующие обозначения:
UTRAN объединяет базовую станцию и радиоконтроллер сети и отвечает за функционирование всех радиочастотных каналов и модулей в UMTS. Сетевой контроллер RNC обеспечивает функциональность одной или нескольких базовых станции и может быть смонтирован непосредственно в оборудовании БС. Несмотря на то, что в данном варианте реального физического интерфейса фактически нет, для удобства стандартизации вводится понятие логического интерфейса между базовой станцией и контроллером, обозначаемое Iub. Стандарты не прописывают подробно особенности самих блоков сети, но при этом регламентируются логические и физические интерфейсы между элементами. В большинстве случаев RNC расположен на центральном диспетчерском пункте и используется для одновременного контроля нескольких районных базовых станций.
Совокупность двух элементов, состоящую из базовой станции и соответствующего ей контроллера RNC, в структурной модели UMTS называют подсистемой сети (Radio Network Subsystem, RNS). Таких подсистем в одном базовом блоке UTRAN может быть несколько. Интерфейсы, с помощью которых в архитектуре UMTS базовый блок UTRAN взаимодействует с другими элементами сети, указаны на рис. 3 и 4. Внешний радиоинтерфейс Uu определяет параметры мобильных абонентских станций (MS), которые предназначены для сетей 3G.
Интерфейс Iu является открытым, что позволяет использовать в сетях UMTS оборудование разных производителей. Интерфейс IuR, являясь открытым, позволяет реализовать мягкую эстафетную передачу абонента между станциями, оснащенными различным оборудованием. В сетях UMTS предусмотрена защита от обрывов связи в движении за счет использования метода «мягкого хэндовера». Например, если автомобиль движется по трассе с равномерно распределенными базовыми станциями, то при удалении от одной базовой станции связь с клиентом постепенно берет на себя ближайшая соседняя. При этом соединение не прерывается скачком, как в сетях GSM. Естественно, что эта функция действует только в зонах с хорошим покрытием сети. Интерфейс Iub разработан как полностью открытый специально для привлечения инвестиций производителей оборудования в развитие сетей 3G.
Блок опорной сети включает в себя традиционное оборудование сетей GSM/GPRS, такое, например, как:
Контроллер базовых станций распределяет канальный ресурс, коммутирует каналы, организует эстафетную передачу (handover), осуществляет сбор и передачу телеметрии в подсистему управления и обслуживания. Транскодер осуществляет кодирование и декодирование речевых сигналов со сжатием. Адресный регистр представляет базу данных обо всех абонентах данного оператора. Гостевой регистр содержит данные об абонентах, находящихся в зоне действия сети.
Наиболее важные операции, которые выполняются в блоке CN, в общем случае сводятся к подключению мобильной абонентской станции (MS) к сети, ее пейджингу, селекции сот и локализации абонента, реализации входящих и исходящих вызовов и эстафетной передаче абонента между базовыми станциями. CN логически разделяется на домены CS и PS. Основная функция базовой станции UMTS заключается в обработке радиосигналов, канальном кодировании и адаптации скорости, расширении спектра и т. д. Кроме того, базовая станция выполняет одну из основных операций по управлению мощностью во внутреннем контуре. Центр коммутации мобильной связи, входящий в состав блока базовой сети, подключает UMTS/GSM к различным внешним сетям, которые можно разделить на две группы: с коммутацией каналов (телефонные сети) и с коммутацией пакетов данных (Интернет). Поскольку центр коммутации (MSC) согласовывает работу системы радиосвязи со стационарными сетями, он выполняет все функции, необходимые для коммутации каналов, а также отвечает за управление соединением. Кроме того, центр коммутации должен выполнять процедуры, необходимые для регистрации местоположения и для передачи обслуживания. Чтобы обеспечить архитектуру CS, не зависящую от носителя, в блоке CN вводятся шлюз среды MGW (обеспечивающий передачу пользовательских данных) и сервер MSC (для обеспечения сигнализации). Такой подход дает возможность использовать универсальные IP-сети и создавать среды обслуживания, независимые от устройства коммутации. В архитектуре UMTS шлюз MGW является оконечным пунктом транспортной сети PSTN/PLMN и связывает UTRAN с CN через интерфейс Iu.
В настоящее время существуют два основных типа сетей доступа. BSS используется для сетей доступа GSM, GPRS и EDGE (gERAN), а RNS — для доступа WCDMA. Сеть доступа GERAN может быть подключена к CN либо через два традиционных интерфейса (Gb и A-интерфейс), либо через интерфейсы Iu. Интерфейс IuPS реализует связь между GERAN и доменом PS базовой сети. IuCS используется для взаимодействия между GERAN и доменом коммутации каналов (CS) базовой сети.
В сетях UMTS предусмотрена функция QoS (Quality of Service) с несколькими приоритетами: разговорный, потоковый, интерактивный, фоновый.
Рассмотренная выше архитектура сетей UMTS показывает, что при переходе к сетям 3G необходима замена как абонентских терминалов, так и подсистемы базовых станций. Кроме того, необходимо будет заменить значительную часть устаревшего оборудования, которое в настоящий момент используется на уровне опорных сетей. Существенным отличием в архитектуре сети является разделение коммутатора на два независимых уровня — уровень коммутации и уровень обработки сигнализации и контроля услуг. Все это говорит о том, что для перехода к сетям 3G и 4G потребуется серьезная модернизация абонентских терминалов и подсистемы базовых станций. Для реализации этих целей потребуются инвестиции и новые электронные компоненты.
Независимое параллельное развитие сетей UMTS наряду с существующими сетями 2G требует огромных денежных средств. Поэтому разработчики стационарного оборудования и мобильных абонентских станций стараются искать совместимые решения, пригодные для использования и в старых сетях 2G, и в сетях нового поколения. Эффективность сетей радиодоступа обусловлена возрастом использованных при ее создании технологий. В России базовые сети построены не так давно, поэтому они могут быть использованы для внедрения современных технологий 3G. Вероятнее всего, инфраструктура базовых сетей будет развиваться эволюционным путем, опираясь на существующие сети GSM, TDMA (IS-136), IP, IN и ISDN [2].
В настоящее время в качестве магистральных применяются сети, использующие IP-технологии. Кроме того, модернизируются опорные сети GSM MAP и ANSI-41, которые были созданы для последних модификаций стандартов мобильной связи 2G-поколения GSM/GPRS/ EDGE. При этом в большинстве случаев взаимодействие между тремя магистральными сетями GSM MAP, ANSI-41 и базовой IP-сетью осуществляется через межсетевой интерфейс NNI (Network-to-Network Interface).
Сегодня все ведущие изготовители базовых модулей для MS выпускают совмещенные GSM/UMTS-модули. Сотовые телефоны и терминалы, созданные на базе этих модулей, могут работать как в сетях GSM/GPRS/EDGE, так и в сетях 3G. Со своей стороны, производители оборудования для базовых станций выпускают переключаемые программные коммутаторы (Soft Switch), способные одновременно обслуживать базовые станции GSM и UMTS. В качестве примера можно привести разработки фирмы Huawei Technologies — коммутационные платформы MSoftX3000. Они позволяют уменьшить капитальные вложения в развитие UMTS за счет того, что могут работать в GSM- и UMTS-сетях. Таким образом, устанавливая подобное оборудование в существующие сети GSM/GPRS, оператор окупает инвестиции в опорную сеть 3G за счет реальных абонентов сети 2G и избавляет себя от инвестиционных рисков.
Развитие рынка мобильного оборудования для М2М-приложений, по всей видимости, пойдет по двум направлениям. С одной стороны, будут модернизироваться и дешеветь модули для систем связи поколения 2G и 2,5G-GSM/ GPRS/EDGE, а с другой — будут развиваться сети с поддержкой 3G, 3G-UMTS/WSDMA/ HSDPA/HSUPA. Вместе с этим естественно ожидать рост производства высокоскоростных модулей.
Аналогично можно предположить два сценария развития сетей новых поколений. Один — это плавный переход, при котором на базе сетей 2G будут надстраиваться 3G и 3,5G. А во втором варианте будет происходить развертывание сетей нового поколения с «нуля», сразу с новейшим оборудованием для базовых станций. Специалисты оценивают вероятность реализации таких планов в Европе в 80-90% для плавного перехода и примерно 10-20% для скачкообразного. И в том и в другом случае вряд ли можно ожидать коренного изменения в распределении мест между мировыми лидерами в производстве GSM/GPRS/EDGE-модулей для М2М-приложений.
Рынок модулей поколения 2G для М2М-приложений складывался давно и трудно. Одни вендоры приходили, другие уходили. Одних покупали конкуренты, другие сами поглощали «соперников». Это хорошо известные истории, и мы упоминаем о них, дабы подчеркнуть, что вряд ли стоить ожидать революционного перераспределения мест в первой пятерке мировых лидеров, производящих GSM/GPRS/ EDGE-модули.
Области применения мобильного оборудодва-ния для М2М-приложений связаны с такими направлениями, как беспроводные банкоматы, торговые автоматы, GSM/GPS-системы навигации транспорта, беспроводное охранное оборудование, беспроводные системы контроля расхода воды, тепла, газа, электричества и другие промышленные системы автоматизации. Крупные потребители модулей для М2М-приложений хорошо известны и «закреплены» за крупными производителями этих устройств. Маловероятно, что на рынке появится новый мощный игрок, который предложит новую продукцию и отберет покупателей у лидеров.
Точно рассчитать долю каждого из ведущих производителей в общемировом объеме продаж не представляется возможным. Эти цифры зависят от методики оценки и конкретной группы товаров. По данным независимого исследовательского института ABI Research, фирма Cinterion Wireless Modules уверенно занимает первое место в сегменте экономичных конструктивных решений. Она выпускает высокоскоростные модули HC25, EU3, PH8. HC25 (рис. 5) — один из первых модулей с поддержкой HSDPA/UMTS (850/1900/2100 МГц). Он обеспечивает скорости передачи «вниз» до 3,6 Мбит/с.
Модуль EU3 (рис. 6) является более совершенной моделью и предназначен для работы в сетях UMTS 900/2100 МГц (EU3-E) и UMTS 850/900/2100 МГц (EU3-P). Максимальные скорости при передаче данных «вниз» и «вверх» соответственно равны 3,6 Мбит/с и 384 кбит/с. Устройство предназначено для промышленного применения и обеспечивает высокие скорости передачи данных через последовательный и USB-порты. Модуль оснащен десятью пользовательскими вводами-выводами общего назначения.
PH8 — новейшая разработка 2011 г. (рис. 7). Эта модель предназначена для работы в сетях HSPA+ со скоростями 14,5 Мбит/с («вниз») и 5,7 Мбит/с «вверх». Фирма Cinterion позиционирует данный модуль в качестве идеального решения для высокоскоростных М2М-приложений, таких как потоковое видео на наружных рекламных щитах, мобильные медицинские приборы, контроль транспортных средств, банкоматы и многое другое. Модуль изготовлен на базе нового чипсета Qualcomm по 45-нм технологии. Он может работать не только в высокоскоростных сетях третьего поколения UMTS и HSPA+, но и в обычных сетях GSM/GPRS.