Описание стандартов связи 1 G и 2 G — подробный разбор архитектуры сети GSM

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.

дальнейшее чтение

• Redl, Siegmund M .; Вебер, Маттиас К .; Олифант, Малкольм В. (февраль 1995 г.). Введение в GSM
  . Артек Хаус. ISBN 978-0-89006-785-7 .
• Redl, Siegmund M .; Вебер, Маттиас К .; Олифант, Малкольм В. (апрель 1998 г.). Справочник по GSM и персональным коммуникациям
  . Библиотека мобильной связи Artech House. Артек Хаус. ISBN 978-0-89006-957-8 .
• Гиллебранд, Фридхельм, изд. (Декабрь 2001 г.). GSM и UMTS, создание глобальной мобильной связи
  . Джон Вили и сыновья. ISBN 978-0-470-84322-2 .
• Мули, Мишель; Pautet, Мари-Бернардетт (июнь 2002 г.). Система GSM для мобильной связи
  . Издательство Телеком. ISBN 978-0-945592-15-0 .
• Салгес, Салгес Б. (апрель 1997 г.). Les télécoms mobiles GSM DCS
  . Гермес (2-е изд.). Публикации Hermes Sciences. ISBN 978-2866016067 .

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.

Что собой представляет WCMDA?

Говоря про WCDMA или GSM и в чем разница между ними, всегда уместно упомянуть, что WCMDA — это в некоторой степени надстройка, которая улучшает стандарт GSM. Вернее, так все задумывалось изначально, однако сегодня WCDMA — это стандарт связи третьего поколения, в основе которого лежат семь международных проектов. А вот GSM так и остался стандартом связи второго поколения (читай 2G).

Базируется WCDMA на технологии DS-CDMA, которая, по сравнению с TDMA, является более устойчивой к помехам и отличается большей пропускной способностью. Телефоны, которые работают в среде WCMDA, могут выполнять те же функции, что и в GSM-стандарте (передача голосовой или цифровой информации), однако качество и скорость будут намного выше. Поэтому операторы, поддерживающие WCMDA, предоставляют услуги доступа в интернет на более высокой скорости.

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.

Частоты LTE (4G) в России

Добавления и/или поправки к данному материалу приветствуются.

— Внимание! Перед покупкой товаров или услуг внимательно читайте отзывы! — Производители могут изменять их без уведомления! — Поэтому характеристики верны на момент публикации материала (см. дату статьи).

Новичкам непонятны игры, предпринимаемые разработчиками стандартов. Казалось бы, использует GSM частоты 850, 1900, 900, 1800 МГц, чего боле? Быстрый ответ – читайте нижеследующий раздел Инструкция телефона. Будет показана неправомерность общепринятого толкования. Проблема описана следующими положениями:

1. Второе поколение сотовой связи 2G породило уйму стандартов. Мир знает три эпицентра, задающих ритм: Европа, Северная Америка, Япония. Россия переняла стандарты первых двух, переиначив.
2. Родословное дерево нормативов постоянно ширится.
3. Международные варианты стандартов призваны объединить разнородные правила отдельных стран. Часто напрямую внедрение невозможно. Правительства изменяют законодательную базу, закрепляя планы частот.

Сказанное объясняет истоки непонимания проблемы новичками. Возвращая вопросу ясность, построим упрощённую иерархию стандартов, указывая попутно используемые частоты.

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.

Состав подсистемы базовых станций BSS

BSC управляет всеми функциями, относящимися к работе радиоканалов в сети GSМ. Это коммутатор, который обеспечивает такие функции, как хэндовер MS, назначение радиоканалов и сбор данных о конфигурации сот. Каждый MSC может управлять несколькими BSC.

BTS управляет радиоинтерфейсом с MS. BTS включает в себя такое радиооборудование, как приемо-передатчики и антенны, которые необходимы для обслуживание каждой соты в сети. Контроллер BSC управляет несколькими BTS.

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.

Почему так много частот

Исследуя результаты 2010 года, Ассоциация GSM заявила: стандартом охвачены 80% абонентов планеты. Это значит, что четыре пятых сетей не могут выбрать единую частоту. Вдобавок имеется 20% чужеродных стандартов связи. Откуда берётся корень зла? Страны второй половины ХХ века развивались разрозненно. Частоты 900 МГц СССР заняли военная, гражданская воздушная навигация.

GSM: 900 МГц

Параллельно выработке Европой первых вариантов GSM НПО Астра, НИИ Радио, НИИ Министерства обороны затеяли исследования, окончившиеся натурными испытаниями. Вынесенный вердикт:

• Возможно совместное функционирование навигации и второго поколения сотовой связи.

25 июля 1992 года решено создать две системы:

Обратите внимание: опять 2 стандарта. Каждый использует собственную сетку частот. Объявленный конкурс распределения GSM-900 выиграли НПО Астра, ОАО МГТС (ныне МТС), российские компании, канадская BCETI.

NMT-450МГц — первое поколение

Итак, Москва использовала, начиная 1992 годом, диапазон 900 МГц (см. выше), потому что другие частоты GSM ещё не были рождены. Вдобавок NMT (Нордические мобильные телефоны)… Изначально страны Скандинавского полуострова разработали два варианта:

Причина выбора российским правительством первого ответа? Вероятно, решили попробовать два диапазона. Обратите внимание, указанные стандарты описывают аналоговую связь (1G). Страны-разработчики начали прикрывать лавочку с декабря 2000 года. Последней (1 сентября 2010) сдалась Исландия (Siminn). Эксперты отмечают важное преимущество диапазона 450 МГц: дальность. Весомый плюс, оценённый удалённой Исландией. Российское правительство хотело покрыть площадь страны, задействовав минимум вышек.

NMT возлюбили рыбаки. Освобождённую сетку занял цифровой CDMA 450. За 2015 год технологии Скандинавии освоили 4G. Российский Уралвестком освободил каморку 1 сентября 2006 года, Сибирьтелеком – 10 января 2008. Дочерний (Теле 2) Скайлинк забивает диапазоном Пермскую, Архангельскую области. Срок окончания лицензии – 2021 год.

D-AMPS: ДМВ (400..890 МГц) — второе поколение

Американские сети 1G, использовавшие спецификацию AMPS, отказывались принимать GSM. Взамен разработаны две альтернативы организовать мобильные сети второго поколения:

1. IS-54 (март 1990 года, 824-849; 869-894 МГц).
2. IS-136. Отличается большим числом каналов.

Стандарт ныне мёртв, повсеместно заменён потомками GSM/GPRS, CDMA2000.

Зачем россиянину D-AMPS

Российский обыватель часто пользуется подержанной техникой. Оборудование D-AMPS достигло складов Теле 2, Beeline. 17 ноября 2007 последние прикрыли лавочку Центральному региону. Лицензия Новосибирской области истекла 31 декабря 2009. Последняя ласточка улетела 1 октября 2012 (Калининградская область). Киргизия использовала диапазон до 31 марта 2015.

CDMA2000 — 2G+

Некоторые варианты протокола используют:

1. Узбекистан – 450 МГц.
2. Украина – 450; 800 МГц.

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:

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:

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.

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.

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:

Смотрите также

• Сотовая сеть
• Повышенная скорость передачи данных для развития GSM (КРАЙ)
• Расширенный выбор сети (ENS)
• Коды стандартных функций переадресации GSM — список кодов переадресации звонков, работающих со всеми операторами и телефонами
• Полосы частот GSM
• GSM услуги Сотовая трансляция
• GSM локализация
• Служба мультимедийных сообщений (MMS)
• NITZ Идентификация сети и часовой пояс
• Протокол беспроводного приложения (WAP)

Идентификатор области расположения (LAI)

В пределах PLMN область определения местоположения идентифицирует свой собственный подлинный идентификатор области определения местоположения (LAI). Иерархия LAI основана на международном стандарте и структурирована в уникальном формате, как указано ниже:

• Код страны (CC): 3 знака после запятой.
• Код сети мобильной связи (MNC): 2 знака после запятой.
• Код области расположения (LAC): максимум 5 десятичных знаков или максимум два раза 8 битов, закодированных в шестнадцатеричном формате (LAC

Инструкция телефона

Полезную информацию касательно вопроса предоставит инструкция телефона. Соответствующий раздел перечисляет поддерживаемые частоты. Отдельные аппараты позволят настроить область приёма. Следует выбирать модель телефона, ловящую общепринятые российские каналы:

1. 900 МГц – E-GSM. Восходящая ветка – 880..915 МГц, нисходящая – 925..960 МГц.
2. 1800 МГц – DCS. Восходящая ветка – 1710..1785 МГц, нисходящая – 1805..1880 МГц.

Технология LTE добавляет область 2600 МГц, внедрён канал 800 МГц.

Эволюция GSM или что такое 2.5G и 2.75G

GPRS (General Packet Radio Service) или 2.5G – надстройка над стандартом GSM. Информация в ней передается в виде пакетов – сообщений, содержащих информацию об отправителе, получателе и передаваемые данные. Фрагмент фотографии, например.

Пакеты позволяют абонентам обмениваться данными не только между собой, но и отправлять / получать из Интернета. Скорость передачи – 85-100 кбит/сек.

EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution ) или 2,75G – улучшенный вариант GPRS, использующий модуляцию 8PSK. Технология повышает скорость передачи до 270 кбит/сек.

Как это работает

В передаче сигнала между абонентами участвуют 2 элемента:

1. GSM модуль в телефоне – передает / принимает радиосигнал от базовой станции оператора;
2. базовая станция – соединяет с другими абонентами, проверяет подлинность SIM карты, защищает радиоэфир от прослушивания.

Работает GSM связь следующим образом:

1. Радиомодуль в телефоне сканирует радиоэфир.
2. Базовая станция отправляет модулю случайное число, сгенерированное алгоритмом.
3. Телефон генерирует ответ и отправляет обратно. Если ответный код верен, то он подключается к мобильной сети. При соответствующих настройках, базовая станция проверяет IMEI устройства и может отказать в доступе, если оно есть в списке запрещенных или отслеживаемых. Этот и 3 предыдущих этапа проходят при включении устройства, перед получением + отправлением СМС, звонками, переподключении к другой базовой станции.
4. Между элементами устанавливается шифрованное соединение.
5. Телефон и базовая станция обмениваются информацией.

По окончании обмена соединение разрывается, а устройство продолжает прослушивать радиоэфир.

Выводы

Мы можем сказать, что, хотя они все еще используются, особенно GSM, правда в том, что обе они могут быть обречены на исчезновение в ближайшие годы. Появление более современных технологий, таких как 4G или 5G, заставит нас использовать эти две технологии все реже и реже.

Мы видели, что есть некоторые явные различия, такие как возможность или нет совершать звонки и получать данные одновременно. Однако это не означает, что один работает лучше, чем другой для повседневного использования. Можно сказать, что GSM гораздо шире распространен во всем мире.