Технология edge
Технология EDGE(Enhanced Data for Global Evolution или, как еще иногда можно услышать, Enhanced Data rates for GSM Evolution – «улучшенные скорости передачи данных для эволюции GSM-стандарта») в России внедряется как расширение GPRS, в этом случае ее следует называть EGPRS (enhanced GPRS).
1.EDGE не является новым стандартом сотовой связи.
Однако EDGE подразумевает дополнительный физический уровень, который может быть использован для увеличения пропускной способности сервисов GPRS. При этом, сами сервисы предоставляются точно так же, как и раньше. Теоретически сервис GPRS способен обеспечивать пропускную способность до 160 Кбит/с (на физическом уровне). На практике же поддерживающие GPRS Class 10 или 4+1/3+2 аппараты обеспечивают лишь до 38-42 Кбит/с, и то если позволяет загруженность сети сотовой связи. Технология EGPRS может обеспечить до 384–473,6 Кбит/с. Для этого необходимо использование новой модуляционной схемы, новых методов кодирования каналов и коррекции ошибок.
Особенностью стандарта EDGE является абсолютно новый метод модуляции 8PSK (eight-phase shift keying), который позволяет поднять скорость передачи до 48 Кбит/с на один временной слот. При использовании нескольких временных слотов совместно с системой GPRS можно достичь скорости передачи в 384 Кбит/с.
2.EDGE, по сути, является «надстройкой» к GPRS и не может существовать отдельно от GPRS. EDGE подразумевает использование иных модуляционных и кодовых схем, сохраняя совместимость с сервисом голосовой связи. Таким образом, с точки зрения клиентского терминала, с внедрением EDGE не должно измениться ничего. Однако инфраструктура базовой станции претерпит некоторые изменения (см. рис. 1).
Рис. 1. Измененные узлы показаны желтым цветом.
|
Таблица 1. Сравнительные характеристики EDGE и GPRS | ||
|
|
GPRS |
EDGE |
|
Модуляционная схема |
GMSK |
8-PSK/GMSK |
|
Скорость передачи символов |
270 тыс. в секунду |
270 тыс. в секунду |
|
Пропускная способность |
270 Кбит/с |
810 Кбит/с |
|
Пропускная способность на тайм-слот |
22,8 Кбит/с |
69,2 Кбит/с |
|
Скорость передачи данных на тайм-слот |
20 Кбит/с (CS4) |
59,2 Кбит/с (MCS9) |
|
Скорость передачи данных с использованием 8 тайм-слотов |
160 (182,4) Кбит/с |
473,6 (553,6) Кбит/с/s |
Стандарт gsm
GSM (от названия группы Groupe Spécial Mobile, позже переименован в Global System for Mobile Communications) (русск. СПС-900) – глобальный цифровой стандарт для мобильной сотовой связи, с разделением канала по принципу TDMA и высокой степенью безопасности благодаря шифрованию с открытым ключом. Разработан под эгидой Европейского института стандартизации электросвязи (ETSI) в конце 80-х годов.
TDMA(англ.Time Division Multiple Access– множественный доступ с разделением по времени) – способ использования радиочастот, когда в одном частотном интервале находится несколько абонентов, разные абоненты используют разные временные слоты (интервалы) для передачи. Является приложением мультиплексирования канала с разделением по времени (TDM – Time Division Multiplexing) к радиосвязи.
Таким образом, TDMA предоставляет каждому пользователю полный доступ к интервалу частоты в течение короткого периода времени (в GSM один частотный интервал делится на 8 временных). TDMA в настоящее время является доминирующей технологией для мобильных сотовых сетей и используется в стандартах GSM, TDMA (ANSI-136), PDC.
Общие сведения
GSM относится к сетям второго поколения (2 Generation), хотя на 2006 год условно находится в фазе 2,5G (1G – аналоговая сотовая связь, 2G – цифровая сотовая связь, 3G – широкополосная цифровая сотовая связь, коммутируемая многоцелевыми компьютерными сетями, в том числе Интернет).
Сотовые телефоны выпускаются для 4 диапазонов частот:
850 МГц;
900 МГц;
1800 МГц;
1900 МГц.
Существуют также, и довольно распространены, мультидиапазонные (Dual-Band, Multi-Band) телефоны, способные работать в диапазонах 900/1800 МГц, 850/1900 МГц, 900/1800/1900 МГц.
GSM на сегодняшний день является наиболее распространенным стандартом связи. По данным ассоциации GSMA на данный стандарт приходится 82% мирового рынка мобильной связи, 29% населения земного шара использует глобальные технологии GSM. В GSMA в настоящее время входят операторы более чем 210 стран и территорий.
Предоставляемые GSM услуги
GSM обеспечивает поддержку следующих услуг:
Услуги передачи данных (синхронный и асинхронный обмен данными, в том числе пакетная передача данных – GPRS). Данные услуги не гарантируют совместимость терминальных устройств и обеспечивают только передачу информации к ним и от них.
Передача речевой информации.
Передача коротких сообщений (SMS).
Передача факсимильных сообщений.
Дополнительные (необязательные к предоставлению) услуги:
Определение вызывающего номера и ограничение такого определения.
Безусловная и условная переадресация вызова на другой номер.
Ожидание и удержание вызова.
Конференцсвязь (одновременная речевая связь между тремя и более подвижными станциями).
Запрет на определенные пользователем услуги (международные звонки, роуминговые звонки и др.)
Голосовая почта.
и многие другие услуги.
Преимущества и недостатки стандарта GSM
Преимуществастандарта GSM:
Меньшие по сравнению с аналоговыми стандартами (NMT-450,AMPS-800) размеры и вес телефонных аппаратов при большем времени работы без подзарядки аккумулятора. Это достигается в основном за счёт аппаратуры базовой станции, которая постоянно анализирует уровень сигнала, принимаемого от аппарата абонента. В тех случаях, когда он выше требуемого, на сотовый телефон автоматически подаётся команда снизить излучаемую мощность.
Хорошее качество связи при достаточной плотности размещения базовых станций.
Большая ёмкость сети, возможность большого числа одновременных соединений.
Низкий уровень индустриальных помех в данных частотных диапазонах.
Максимальная защита от подслушивания и нелегального использования, что достигается путём применения алгоритмов шифрования с открытым ключом. EFR-технологияявляет собой усовершенствованную систему кодирования речи. Эта система была разработана фирмойNokiaи впоследствии стала промышленным стандартом кодирования/декодирования для технологии GSM.
Широкое распространение, особенно в Европе, большой выбор оборудования. На сегодняшний день стандарт GSM поддерживают 228 операторов, официально зарегистрированных в Ассоциации операторов GSM из 110 стран.
Возможность роуминга. «Роуминг» (от английского «Roam» – странствовать, бродить) означает, что абонент одной из сетей GSM может пользоваться сотовым телефонным номером не только у себя «дома», но и перемещаться по всему миру переходя из одной сети в другую не расставаясь со своим абонентским номером. Процесс перехода из сети в сеть происходит автоматически, и пользователю телефона GSM нет необходимости заранее уведомлять оператора.
Недостаткистандарта GSM:
Искажение речи при цифровой обработке и передаче.
Связь на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции даже при использовании усилителей и направленных антенн. Поэтому для покрытия определённой площади необходимо большее количество передатчиков, чем в NMT-450иAMPS.
Серьёзная мощность излучения носимыми трубками – потенциальный вред здоровью. В настоящее время не подтверждено, даже после проведения множества экспериментов.
Структура GSM
Система GSM состоит из трех основных подсистем:
подсистема базовых станций (BSS – Base Station Subsystem),
подсистема коммутации (NSS – Network Switching Subsystem),
центр технического обслуживания (OMC – Operation and Maintenance Centre).
В отдельный класс оборудования GSM выделены терминальные устройства – подвижные станции (MS – Mobile Station), также известные, как мобильные (сотовые) телефоны.
Подсистема базовых станций
BSSсостоит из собственнобазовых станций(BTS – Base Transceiver Station) и контроллеров базовых станций (BSC – Base Station Controller). Область, накрываемая сетью GSM, разбита на соты шестиугольной формы. Диаметр каждой шестиугольной ячейки может быть разным – от 400 м до 50 км. Максимальный теоретический радиус ячейки составляет 120 км, что обусловлено ограниченной возможностью системы синхронизации к компенсации времени задержки сигнала. Каждая ячейка покрывается одной BTS, при этом ячейки частично перекрывают друг друга, тем самым сохраняется возможность передачи обслуживания MS при перемещении ее из одной соты в другую без разрыва соединения. Естественно, что на самом деле сигнал от каждой станции распространяется, покрывая площадь в виде круга, но при пересечении - как получаются правильные шестиугольники. Каждая база имеет шесть соседних в связи с тем, что в задачи планирования размещения станций входила такая, как минимизация зон перекрывания сигнала от каждой станции. Большее число соседних станций, чем 6 - особых выгод не несет. Рассматривая границы покрытия сигнала от каждой станции уже в зоне перекрытия, как раз получаем - шестиугольники.
Базовая станция(BTS) обеспечивает прием/передачу сигнала между MS и контроллером базовых станций. BTS является автономной и строится по модульному принципу. Направленные антенны базовых станций могут располагаться на вышках, крышах зданий и т. д.
Контроллер базовых станций(BSC) контролирует соединения между BTS и подсистемой коммутации. В его полномочия также входит управление очередностью соединений, скоростью передачи данных и распределение радиоканалов.
Подсистема коммутации NSSпостроена из следующих компонентов:
Центр коммутации (MSC – Mobile Switching Centre)
MSC контролирует определенную географическую зону с расположенными на ней BTS и BSC. Осуществляет установку соединения к абоненту и от него внутри сети GSM, обеспечивает интерфейс между GSM и ТфОП, другими сетями радиосвязи, сетями передачи данных. Также выполняет функции маршрутизации вызовов, управление вызовами, эстафетной передачи обслуживания при перемещении MS из одной ячейки в другую. После завершения вызова MSC обрабатывает данные по нему и передает их в центр расчетов для формирования счета за предоставленные услуги, собирает статистические данные. MSC также постоянно следит за положением MS, используя данные из HLR и VLR, что необходимо для быстрого нахождения и установления соединения с MS в случае ее вызова.
Домашний реестр местоположения(HLR – Home Location Registry)
Содержит базу данных абонентов, приписанных к нему. Здесь содержится информация о предоставляемых данному абоненту услугах, информация о состоянии каждого абонента, необходимая в случае его вызова, а также Международный Идентификатор Мобильного Абонента (IMSI – International Mobile Subscriber Identity), который используется для аутентификации абонента (при помощи AUC). Каждый абонент приписан к одному HLR. К данным HLR имеют доступ все MSC и VLR в данной GSM-сети, а в случае межсетевого роуминга – и MSC других сетей.
Гостевой реестр местоположения (VLR – Visitor Location Registry)
VLR обеспечивает мониторинг передвижения MS из одной зоны в другую и содержит базу данных о перемещающихся абонентах, находящихся в данный момент в этой зоне, в том числе абонентах других систем GSM – так называемых роумерах. Данные об абоненте удаляются из VLR в том случае, если абонент переместился в другую зону. Такая схема позволяет сократить количество запросов на HLR данного абонента и, следовательно, время обслуживания вызова.
Реестр идентификации оборудования (EIR – Equipment Identification Registry)
Содержит базу данных, необходимую для установления подлинности MS по IMEI (International Mobile Equipment Identity). Формирует три списка: белый (допущен к использованию), серый (некоторые проблемы с идентификацией MS) и черный (MS, запрещенные к применению). У Российских операторов используются только белые списки.[источник?]
Центр аутентификации (AUC – Authentification Centre)
Здесь производится аутентификация абонента, а точнее – SIM(Subscriber Identity Module). Доступ к сети разрешается только после прохождения SIM процедуры проверки подлинности, в процессе которой с AUC на MS приходит открытый ключ, после чего на AUC и MS параллельно происходит шифрование уникального для данной SIM ключа аутентификации при помощи уникального же алгоритма. Затем с MS и AUC на MSC возвращаются «подписанные отклики» – SRES (Signed Response), являющиеся результатом данного шифрования. На MSC отклики сравниваются, и в случае их совпадения аутентификация считается успешной.
Подсистема OMC
Соединена с остальными компонентами сети и обеспечивает контроль качества работы и управление всей сетью. Обрабатывает аварийные сигналы, при которых требуется вмешательство персонала. Обеспечивает проверку состояния сети, возможность прохождения вызова. Производит обновление программного обеспечения на всех элементах сети и ряд других функций.
Базовая станция на мачте Башенная БС Вид аппаратной БС сети GSM внутри
Эволюция стандартов сотовой связи
Стандарты первого поколениясотовой связи (1G),NMT-450(разработан в 1978, внедрен в эксплуатацию в 1981 году) иAMPS(внедрен в 1983 году), были аналоговыми: низкочастотный голос человека передавался на высокочастотной несущей (~450 МГц в случае NMT и 820-890 МГц в случае AMPS) с применением схемы амплитудно-частотной модуляции. Для того, чтобы обеспечить связь одновременно нескольких человек, в стандарте AMPS, например, частотные диапазоны разбивались на каналы шириной 30 кГц – такой подход получил название FDMA (Frequency Division Multiple Access). Стандарты первого поколения обеспечивали исключительно голосовую связь.
Стандарты второго поколения(2G), такие какGSM(global system for mobile communications) иCDMA(Code Division Mutiple Access), принесли с собой сразу несколько нововведений. Кроме частотного разделения каналов связи FDMA, голос человека теперь проходил оцифровку (кодирование), то есть, по каналу связи, как и в 1G-стандарте, передавалась модулированная несущая частота, но уже не аналоговым сигналом, а цифровым кодом. В этом – общая черта всех стандартов второго поколения. Различаются они методами «уплотнения» или разделения каналов: в GSM используется подход с временным уплотнением TDMA (Time Division Multiple Access), а в CDMA – кодовое разделение каналов связи (Code Division Mutiple Access), из-за чего этот стандарт так и называется. Стандарты второго поколения также создавались для обеспечения голосовой связи, но в силу их «цифровой природы» и в связи с возникшей в ходе распространения Глобальной Паутины необходимости обеспечить доступ в интернет по мобильному телефоны, предоставляли возможность передачи цифровых данных по мобильному телефону, как по обычному проводному модему. Изначально, стандарты второго поколения не обеспечивали высокой пропускной способности: GSM мог предоставить лишь 9600 бит/с (ровно столько требуется для обеспечения голосовой связи в одном «уплотненном» с помощью TDMA канале), CDMA – несколько десятков Кбит/с.
В стандартах третьего поколения(3G), главным требованием к которым, согласно спецификациям Международного Телекоммуникационного Союза (ITU) IMT-2000, стало обеспечить видеосвязь хотя бы в разрешении QVGA (320х240), необходимо было достичь пропускной способности передачи цифровых данных не менее 384 Кбит/с. Для решения этой задачи используются полосы частот увеличенной ширины (W-CDMA, Wideband CDMA) или большее количество задействованных одновременно частотных каналов (CDMA2000). К слову, изначально стандарт CDMA2000 не мог обеспечить требуемой пропускной способности (предоставляя всего 153 Кбит/с), однако с введением новых модуляционных схем и технологий мультиплексирования с использованием ортогональных несущих в «надстройках» 1х RTT и EV-DO, порог в 384 Кбит/с был успешно преодолен. А такая технология передачи данных, как CDMA2000 1x EV-DV так и вовсе должна будет обеспечить пропускную способность до 2 Мбит/с, в то время как разрабатываемая и продвигаемая сейчас в сетях W-CDMA технология HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access) – до 14,4 Мбит/с.
Кроме того, в Японии, Южной Корее и Китае сейчас ведутся работы над стандартами следующего, четвертого поколения, которые смогут, в перспективе, обеспечивать скорость передачи и приема цифровых данных свыше 20 Мбит/с, став, таким образом, альтернативой проводных широкополосных сетей.
Однако, несмотря на все перспективы, которые сулят сети третьего поколения, перейти на них спешат далеко не многие. Причин тому много: это и дороговизна телефонных аппаратов, вызванная необходимостью вернуть вложенные в исследования и разработки средства; и дороговизна эфирного времени, связанная с высокой стоимостью лицензий на частотные диапазоны и необходимостью перехода на несовместимое с существующей инфраструктурой оборудование; и малое время автономной работы из-за чрезмерно высокой (по сравнению с аппаратами второго поколения) нагрузки при передаче больших объемов данных. Одновременно с этим, стандарт второго поколения GSM в силу изначально заложенной в него возможности глобального роуминга и меньшей стоимости аппаратов и эфирного времени (тут политика лицензирования главного поставщика CDMA-технологий, компании Qualcomm, сыграла с ней злую шутку), получил поистине глобальное распространение, и уже в прошлом году число абонентов GSM превышало 1 млрд. человек. Не воспользоваться ситуацией было бы неправильно как с точки зрения операторов, которым хотелось бы увеличить среднюю выручку с одного абонента (ARPU), и обеспечить предоставление сервисов, конкурентоспособных с сервисами 3G-сетей, так и со стороны пользователей, которым хотелось бы иметь мобильный доступ в интернет. То же, что произошло с этим стандартом в дальнейшем, вполне можно назвать небольшим чудом: был придуман эволюционный подход, конечной целью которого было превратить GSM в стандарт третьего поколения, совместимый с UMTS (Universal Mobile Telecommunications System).
Строго говоря, мобильный доступ в интернет был доступен давно: технология CSD (Circuit-Switched Data) позволяла осуществлять модемное соединение на скорости 9600 бит/с, но, во-первых, это было неудобно из-за малой скорости, а во-вторых – из-за поминутной тарификации. Поэтому сначала была придумана и внедрена технология передачи данных GPRS(General Packet Radio Service), ознаменовавшая начало перехода к пакетному подходу, а потом – технология EDGE. К слову, есть еще альтернативная GPRS технология HSCSD (High-Speed Circuit Switched Data), но она менее распространена, так как тоже подразумевает поминутную тарификацию, в то время как в GPRS учитывается трафик – пересылка пакетов. В этом – главная разница между GPRS и различными технологиями на базе CSD-подхода: в первом случае абонентский терминал пересылает в эфир пакеты, которые идут произвольными каналами до адресата, во втором – между терминалом и базовой станцией (работающей как маршрутизатор) устанавливается соединение типа точка-точка с использованием стандартного или расширенного канала связи. Стандарт GSM с технологией GPRS занимает промежуточное положение между вторым и третьим поколениями связи, посему нередко называется вторым с половиной поколением (2,5G). Называется он так еще и потому, что GPRS знаменует собой половину пути GSM/GPRS-сетей к совместимости с UMTS.
Технология EDGE, как нетрудно догадаться из ее названия (которое можно перевести как «улучшенные скорости передачи данных для эволюции GSM-стандарта») играет сразу две роли: во-первых, обеспечивает более высокую пропускную способность для передачи и приема данных, а во-вторых, служит еще одним шагом на пути от GSM к UMTS. Первый шаг – внедрение GPRS, уже сделан. Не за горами и второй шаг – внедрение EDGE уже началось в мире и в нашей стране.