12. Модеми для стільникових систем зв’язку.

Стандарти стільникових мереж зв'язку

В даний час у світі існує велика кількість стандартів на стільникові мережі зв'язку. Всі їх можна розділити на дві великі групи: аналогові та цифрові. До аналогових відносяться мережі типу AMPS (США), NMT (Північна Європа), HCMTS (Японія), С-450 (Німеччина), TACS (Англія), ETACS (Англія), RTMS-101H (Італія), Radiocom-2000 Франція) . Основними цифровими стандартами на стільникові мережі є GSM (Європа), ADC або D-AMPS (США), CDMA (США), JDC і PHS (Японія).

GSM (від назви групи Groupe Spécial Mobile, пізніше перейменованої в Global System for Mobile Communications) – глобальний стандарт для мобільного цифрового стільникового зв'язку з розділенням частотного каналу за принципом TDMA та середнім ступенем безпеки. Розроблений під егідою Європейського інституту стандартизації електрозв'язку (ETSI) наприкінці 80-х років.

Загальні відомості: GSM відноситься до мереж другого покоління (2 Generation), хоча на 2006 рік умовно знаходиться у фазі 2,5G (1G – аналогова стільниковий зв'язок, 2G – цифровий стільниковий зв'язок, 3G – широкосмуговий цифровий стільниковий зв'язок, комутована багатоцільовими комп'ютерними мережами, в тому числі Інтернет).

Стільникові телефони випускаються для 4 діапазонів частот: 850 МГц, 900 МГц, 1800 МГц, 1900 МГц.

Залежно від кількості діапазонів, телефони поділяються на класи і варіацію частот залежно від регіону використання.

• Однодіапазоні – телефон може працювати на одній з частот. В даний час не випускаються, але існує можливість ручного вибору певної частоти в деяких моделях телефонів, наприклад Motorola C115, або за допомогою інженерного меню телефону.

• Дводіапазонні (Dual Band) – для Європи, Азії, Африки, Австралії 900/1800 і 850/1900 для Америки і Канади.

• Трьохдіапазонний (Tri Band) – для Європи, Азії, Африки, Австралії 900/1800/1900 і 850/1800/1900 для Америки і Канади.

• Чотирьохдіапазонний (Quad Band) – підтримують всі діапазони 850/900/1800/1900.

У стандарті GSM застосовується GMSK модуляція з величиною нормованої смуги ВТ – 0,3, де В – ширина смуги фільтра за рівнем мінус 3 дБ, Т – тривалість одного біта цифрового повідомлення.

GSM на сьогоднішній день є найбільш поширеним стандартом зв'язку. За даними асоціації GSM (GSMA) на даний стандарт припадає 82% світового ринку мобільного зв'язку, 29% населення земної кулі використовує глобальні технології GSM. У GSMA в даний час входять оператори більш ніж 210 країн і територій.

GPRS (англ. General Packet Radio Service – пакетний радіозв'язок загального користування) – надбудова над технологією мобільного зв'язку GSM, що здійснює пакетну передачу даних. GPRS дозволяє користувачеві мережі стільникового зв'язку робити обмін даними з іншими пристроями в мережі GSM і із зовнішніми мережами, в тому числі Інтернет. GPRS припускає тарифікацію як за обсягом переданої/отриманої інформації, так і за часом, проведеним онлайн.

Архітектура

Служба передачі даних GPRS надбудовується над існуючою мережею GSM. На структурному рівні систему GPRS можна розділити на дві частини: підсистему базових станцій (BSS) і опорну мережу GPRS (GPRS Core Network).

У BSS входять всі базові станції та контролери, які підтримують пакетну передачу даних. Для цього BSC (Base Station Controller) доповнюється блоком управління пакетами – PCU (Packet Controller Unit), а BTS (Base Tranceiver Station) – кодований пристроєм CCU (Channel Codec Unit).

Основним елементом опорної мережі є сервісний вузол підтримки GPRS – SGSN (Serving GPRS Support Node). Він займається обробкою пакетної інформації і перетворенням кадрів даних GSM у формати, які використовуються протоколами TCP/IP.

Шлюзи із зовнішніми мережами (Internet, intranet, X.25) називають GGSN (Gateway GPRS Support Node). Обмін інформацією між SGSN і GGSN відбувається на основі IP-протоколів.

Також до складу GPRS Core входять DNS (Domain Name System) і Charging Gateway (шлюз для зв'язку з системою тарифікації).

Принцип роботи

При використанні GPRS інформація збирається в пакети і передається через невикористовувані в цей момент голосові канали, така технологія передбачає більш ефективне використання ресурсів мережі GSM. При цьому, що є пріоритетом передачі – голосовий трафік або передача даних – вибирається оператором зв'язку. Можливість використання відразу декількох каналів забезпечує достатньо високі швидкості передачі даних, теоретичний максимум при всіх зайнятих тайм слотах TDMA становить 171,2 кбіт/c. Існують різні класи GPRS, що розрізняються швидкістю передачі даних і можливістю суміщення передачі даних з одночасним голосовим викликом.

Передача даних розділяється за напрямками «вниз» (downlink, DL) – від мережі до абонента, й «нагору» (uplink, UL) – від абонента до мережі. Мобільні термінали розділяються на класи за кількістю одночасно використовуваних таймслотів для передачі і прийому даних. Сучасні телефони (червень 2006) підтримують до 4-х таймслотів одночасно для прийому по лінії «вниз» (тобто можуть приймати 85 кбіт/с за кодовою схемою CS-4), і до 2-х для передачі по лінії «вгору» ( class 10 або 4 +2).

Абонентам, підключених до GPRS, надається віртуальний канал, який на час передачі пакета стає реальним, а в інший час використовується для передачі пакетів інших користувачів. Оскільки один канал можуть використовувати декілька абонентів, можливе виникнення черги на передачу пакетів, і, як наслідок, затримка зв'язку. Наприклад, сучасна версія програмного забезпечення контролерів базових станцій допускає одночасне використання одного таймслоту шістнадцятьма абонентами в різний час і до 5 (з 8) таймслотів на частоті, разом – до 80 абонентів, що користуються GPRS на одному каналі зв'язку (середня максимальна швидкість при цьому 21,4*5/80=1,3кбіт/с на абонента). Інший крайній випадок – пакетування таймслотів в один безперервний з витісненням голосових абонентів на інші частоти (при наявності таких і з урахуванням пріоритету). При цьому телефон, що працює в режимі GPRS, приймає всі пакети на одній частоті і не витрачає часу на перемикання. У цьому випадку швидкість передачі даних досягає максимально можливої, як і описано вище, 4 +2 таймслоти (class 10).

Технологія GPRS використовує GMSK-модуляцію. Залежно від якості радіосигналу, дані, що пересилаються по радіоефірі, кодуються за однією з 4-х кодових схем (CS1-CS4). Кожна кодова схема характеризується надмірністю кодування і перешкодостійкістю, і вибирається автоматично в залежності від якості радіосигналу.

Інтеграція з Інтернетом

GPRS за принципом роботи аналогічна Інтернет: дані розбиваються на пакети і відправляються одержувачу (необов'язково одним і тим же маршрутом), де відбувається їх збирання. При встановленні сесії кожному пристрою присвоюється унікальна адреса, що по суті перетворює його на сервер. Протокол GPRS прозорий для TCP/IP, тому інтеграція GPRS з Інтернетом непомітна кінцевому користувачеві. Пакети можуть мати формат IP або X.25, при цьому не має значення, які протоколи використовуються поверх IP, тому є можливість використання будь-яких стандартних протоколів транспортного і прикладного рівнів, що застосовуються в Інтернеті (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, XMPP та ін.) Також при використанні GPRS мобільний телефон виступає як клієнт зовнішньої мережі, і йому присвоюється IP-адреса (постійний або динамічний).

Фірма Option знімає проблему несумісності кабельних GSM-роз'ємів стільникових телефонів. Після придбання нового телефону достатньо вислати фірмі старий і вказати тип необхідного кабелю. Він буде доставлений поштою безкоштовно. Спеціально для мандрівників компанія Option розробила набори телефонних роз'ємів (адаптерів), що дозволяють підключати модем до телефонної лінії. Справа в тому, що в різних країнах стандарти роз'ємів розрізняються. Один з наборів розрахований на подорож по Європі і не тільки: він містить 12 адаптерів, призначених для використання у 205 країнах. Інший – повний – набір включає в себе 21 адаптер і гарантує підключення в будь-якій точці земної кулі, де є телефон. Ще одна незручність, з яким стикаються комп'ютеризовані мандрівники, – різні стандарти електричних розеток і вилок. Фірмою розроблено універсальну вилку з 12 змінними штирями. Перебуваючи в будь-якій країні, мандрівник може вибрати потрібний тип з'єднання і без складнощів підключити свій комп'ютер до мережі.

У комплекті з модемом GSM-Only PC Card поставляються:

• набір для роботи з мобільним телефоном (GSM Activation Kit). За бажанням покупця в нього включається кабель, який відповідає типу наявного стільникового телефону:

• модемний кабель з стандартним роз'ємом RJ-11;

• установлювальна дискета з комплектом драйверів;

• інтерактивна навчальна програма для Windows;

• комунікаційні програми для роботи в режимі факсу і терміналу;

• друковане керівництво користувача на 6 мовах (на жаль, російська мова в цю "шістку" не входить).

Користувачам кишенькових комп'ютерів (КПК) марок Pilot 1000/5000, PalmPilot і Palm III 3Com повинен сподобатися GSM-адаптер 3Com Connected Organizer. Цей адаптер легко стикується з пульта, а також стільниковим телефоном; потім, натиснувши всього одну кнопку, можна з'єднатися зі стаціонарним комп'ютером на іншому кінці світу. Підтримувані GSM-стандарти: GSM-900, DCS-1800 і PCS-1900. Швидкість передачі в лінії – 9,6 кбіт/с, але при використанні протоколу стиснення V42.bis або MNP5 ефективна швидкість передачі може багаторазово перевищувати це значення. Ємності батарейки вистачає на 15 год роботи. Оскільки типова операція синхронізації даних (HotSync) органайзера і комп'ютера займає 5 хв, батарейок повинно вистачити надовго.

Поряд із зазначеними моделями на виставці CeBIT "98 фірма Option демонструвала новий GSM-адаптер для КПК WorkPad від IBM. Програма Handphone, що постачається з адаптером, дозволяє приймати і редагувати короткі повідомлення і працювати з телефонною книгою терміналу GSM. Для даного адаптера створено достатньо велику кількість комунікаційних програм, що дозволяють працювати з факсами, електронною поштою і подорожувати по WWW. На виставці CeBIT "98 компанія Option продемонструвала ще два нових пристрої. Один із них – модем GSM-Ready 56K PC Card, який відповідає сучасному стандарту швидкісної модемного зв'язку V.90. Інший – FirstFone; тут в одній карті PCMCIA типу II поєднуються GSM-телефон і модем.

EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution) (сленгове Їжак) – цифрова технологія для мобільного зв'язку, яка функціонує як надбудова над 2G і 2.5G (GPRS)-мережами. Ця технологія працює в TDMA-і GSM-мережах. Для підтримки EDGE в мережі GSM потрібні певні модифікації та удосконалення. На основі EDGE можуть працювати: ECSD – прискорений доступ в Інтернет по каналу CSD, EHSCSD – по каналу HSCSD, і EGPRS – по каналу GPRS. EDGE був вперше представлений в 2003 році в Північній Америці.

Основні дані

На додаток до GMSK (англ. Gaussian minimum-shift keying) EDGE використовує модуляцію 8PSK (англ. 8 Phase Shift Keying) для п'яти з дев'яти кодових схем (MCS). EDGE отримує 3-х бітове слово за кожну зміну фази несучої. Це ефективно (в середньому в 3 рази в порівнянні з GPRS) збільшує загальну швидкість, що надається GSM. EDGE, як і GPRS, використовує адаптивний алгоритм зміни підстроювання модуляції та кодової схеми (MCS) відповідно до якості радіоканалу, що впливає, відповідно, на швидкість і стійкість передачі даних. Крім того, EDGE представляє нову технологію, якої не було в GPRS – Incremental Redundancy (наростаюча надмірність) – відповідно до якої замість повторного відсилання пошкоджених пакетів надсилається додаткова надлишкова інформація, яка накопичується в приймачі. Це збільшує можливість правильного декодування пошкодженого пакета.

EDGE забезпечує передачу даних зі швидкістю до 474 кбіт/с в режимі пакетної комутації (8 тайм-слотів x59,2кбіт на схемі кодування MCS-9) відповідаючи, таким чином, вимогам ITU до мереж 3G. Дана технологія була прийнята ITU як частина родини IMT-2000 стандартів 3G. Вона також розширює технологію передачі даних з комутацією каналів HSCSD, збільшуючи пропускну здатність цього сервісу.

У 2004 році найбільш активно EDGE був підтриманий GSM-операторами Північної Америки, більше, ніж будь-де у світі. Причиною цьому послужив сильний суперник: CDMA2000. Більшість інших GSM-операторів розглядали в якості наступного кроку розвитку технологію UMTS, тому вирішили або пропустити впровадження EDGE, або використовувати його там, де буде відсутнє покриття UMTS-мережі. Однак висока вартість і обсяг робіт з впровадження UMTS (як показала практика) змусили деяких західноєвропейських операторів переглянути свій погляд на EDGE як на доцільний.

Незважаючи на те, що EDGE не потребує апаратних змін до NSS-частини мережі GSM, модернізації повинна бути піддана підсистема базових станцій (BSS). Необхідно встановити трансивери, що підтримують EDGE (8PSK модуляцію) і оновити програмне забезпечення. Також потрібні телефони, що забезпечують апаратну і програмну підтримку модуляції і кодових схем, що використовуються в EDGE.

З точки зору користувача, EDGE дозволяє користуватися досить швидким інтернет-доступом навіть у місцях, де прокладання фіксованої лінії зв'язку неможливе або недоцільне з економічних причин. Багато користувачів забезпечують свої портативні комп'ютери Інтернетом за допомогою EDGE.

EGPRS модуляція та схеми кодування (MCS)

Coding and modulation  схема кодування (MCS)	Швидкість  (kbit/s/slot)	Модуляція
MCS-1	8.4	GMSK
MCS-2	11.2	GMSK
MCS-3	14.8	GMSK
MCS-4	17.6	GMSK
MCS-5	22.4	8-PSK
MCS-6	29.6	8-PSK
MCS-7	44.8	8-PSK
MCS-8	54.4	8-PSK
MCS-9	59.2	8-PSK

3G (від англ. Third generation – третє покоління), технології мобільного зв'язку 3 покоління – набір послуг, який об'єднує як високошвидкісний мобільний доступ з послугами мережі Інтернет, так і технологію радіозв'язку, яка створює канал передачі даних.

Характеристика стандарту

Мобільний зв'язок третього покоління будується на основі пакетної передачі даних. Мережі третього покоління 3G працюють на частотах дециметрового діапазону, як правило в діапазоні близько 2Ггц, передаючи дані зі швидкістю до 14Мбіт/с. Вони дозволяють організовувати відеотелефонний зв'язок, дивитися на мобільному телефоні фільми та телепрограми і т. д.

3G включає в себе 5 стандартів сімейства IMT-2000 (UMTS/WCDMA, CDMA2000/IMT-MC, TD-CDMA/TD-SCDMA (власний стандарт Китаю), DECT і UWC-136).

Найбільшого поширення в світі отримали два стандарти: UMTS (W-CDMA або) і CDMA2000 (IMT-MC), в основі яких лежить одна і та ж технологія – CDMA (Code Division Multiple Access – множинний доступ з кодовим розділенням каналів). Також можливе використання стандарту CDMA450.

Технологія CDMA2000 забезпечує еволюційний перехід від вузькосмугових систем з кодовим розділенням каналів IS-95 (американський стандарт цифрового стільникового зв'язку другого покоління) до систем CDMA «третього покоління» та отримала найбільше поширення на північноамериканському континенті, а також у країнах Азіатсько-Тихоокеанського регіону.

Технологія UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – універсальна система мобільного електрозв'язку) розроблена для модернізації мереж GSM (європейського стандарту стільникового зв'язку другого покоління), і отримала широке поширення не тільки в Європі, але і в багатьох інших регіонах світу.

Робота по стандартизації UMTS координується міжнародною групою 3GPP (Third Generation Partnership Project), а по стандартизації CDMA2000 – міжнародною групою 3GPP2 (Third Generation Partnership Project 2), створеними і співіснуючими в рамках ITU.

За даними Wireless Intelligence, на кінець листопада 2006 р. в світі налічувалося 364 млн абонентів 3G, з них 93,5 млн були підключені до мереж UMTS та 271,1 млн. – до СDMA2000. Найбільший оператор – японський NTT DoCoMo (40 млн абонентів).

У мережах 3G забезпечується надання двох базових послуг: передача даних і передача голосу. Згідно регламентам ITU (International Telecommunications Union – Міжнародний Союз Електрозв'язку) мережі 3G повинні підтримувати наступні швидкості передачі даних:

для абонентів з високою мобільністю (до 120км/год) – не менше 144 кбіт/с;

для абонентів з низькою мобільністю (до 3км/год) – 384 кбіт/с;

для нерухомих об'єктів – 2,048 Кбіт/с.

М ережі 3G відрізняються підвищеною екологічною безпекою: потужність випромінювання передавача терміналу істотно нижча, ніж в інших стандартах: пікова – 200 мВт, середня на більшій частині території обслуговуваній приблизно на порядок нижче пікової.

3g модем виглядає як звичайна usb-флешка, в яку вставляється сім-карта оператора, відповідно під'єднується через звичайний usb-вхід. Працює на 3G швидкостях, також підтримує GPRS/EDGE/GSM з'єднання.

При знаходженні в зоні покриття 3G, швидкість може досягати до 7,5Мбіт/с.Якщо ви знаходитесь за межами 3G покриття, то не хвилюйтеся, модем буде працювати через GPRS/EDGE канали. Швидкість EDGE в середньому 128 – 256kb/s. Це набагато менше, ніж через 3G але це може стати альтернативою, якщо немає іншого виходу в інтернет.

4G – перспективне (четверте) покоління мобільного зв'язку, що характеризується високою швидкістю передачі даних і підвищеною якістю голосового зв'язку. До четвертого покоління прийнято відносити перспективні технології, що дозволяють здійснювати передачу даних зі швидкістю, що перевищує 100Мбіт/с рухомим абонентам і 1Гбіт/с стаціонарним.

Визначення поняття

На відміну від 3G, стандартизованого Міжнародним союзом електрозв'язку як IMT-2000, загальноприйнятого визначення для 4G за станом на 2009 р. не існує. Прихильники технології WiMAX іноді стверджують, що WiMAX відноситься до четвертого покоління мобільного зв'язку, проте це питання ще не вирішено точно, так як стандарт WiMax поки лише частково задовольняє умовам входження в 4G.

Основні дослідження при створенні систем зв'язку четвертого покоління ведуться в напрямку використання технології ортогонального частотного ущільнення OFDM. Системи зв'язку 4G засновані на протоколах пакетної передачі даних. Для пересилання використовується протокол IPv4, а також, в майбутньому планується підтримка IPv6.