Первые системы двусторонней радиотелефонной связи между подвижными объектами появились около 40 лет назад. Связь осуществлялась на фиксированных частотах. Передаваемые сигналы занимали в эфире широкую полосу частот. С развитием техники традиционной радиосвязи возникли проблемы, связанные с ограниченным частотным ресурсом и низкой пропускной способностью таких систем. Идея создания систем мобильной сотовой связи была основана на разбиении обслуживаемой территории на небольшие зоны (соты). В каждой из которых размещена, как правило, одна базовая станция.
История развития и поколения мобильной сотовой связи, стандарты мобильной связи 1G, 2G, 3G, 4G, 5G, основные характеристики поколений мобильной сотовой связи.
Такой принцип организации сотовой связи позволяет увеличить число абонентов и повысить качество связи за счет повторного использования одних и тех же частот в различных сотах. В начале 80-х годов ХХ века в ряде стран были развернуты коммерческие системы мобильной сотовой связи, использующие для передачи речи аналоговую частотную модуляцию.
Одной из первых начала предоставлять услуги система NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), созданная в 1981 году рядом Скандинавских стран. Вскоре появились и другие системы, работающие в диапазоне частот 400-500 МГц. Это были системы стандарта С-450 (Германия), Radiocom-2000 (Франция), RTMS-101H (Италия).
Наиболее мощный толчок к разработке новых систем мобильной радиосвязи был дан, когда началось интенсивное освоение диапазона частот 800-900 МГц. С появлением таких систем, как AMPS (США), NMT-900 (Скандинавские страны), TACS и ETACS (Англия), HCMTS, J-TACS (Япония), началась эра систем мобильной сотовой связи (СМСС). Все перечисленные стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи.
Во всех аналоговых стандартах применяются частотная модуляция для передачи речи и частотная модуляция для передачи информации управления (или сигнализации). Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот. Применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов FDMA. С полосами каналов в различных стандартах от 12,5 до 30 кГц.
С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем относительно низкая емкость. Другие недостатки:
Возможность прослушивания переговоров.
Наличие двойников.
Перегруженность частотного диапазона вследствие его неэффективного использования.
Ограниченность зоны действия.
Стандарты мобильной сотовой связи 2-го поколения 2G.
Развитие цифровых технологий с одной стороны и частые примеры исчерпания аналоговыми системами абонентской емкости (особенно в больших городах) с другой стороны привели к разработке систем второго поколения.
Первые проекты цифровых систем сотовой связи второго поколения появились в начале 90-х годов. Они отличались от аналоговых систем двумя принципиальными качествами:
Возможностью использования спектрально-эффективных методов модуляции в сочетании с временным (TDMA) и кодовым (CDMA) разделением каналов. Вместо традиционно используемого в аналоговых системах частотного разделения каналов (FDMA).
Предоставлением пользователям широкого спектра услуг за счет интеграции передачи речи и данных с возможностью шифрования (засекречивания) данных.
В США к 1992 году разработана двухрежимная аналого-цифровая система, стандарт получил наименование D-AMPS, или IS-54 (IS сокращение от Interim Standard, то есть «промежуточный стандарт»). В Европе разработан единый общеевропейский стандарт GSM (GSM 900 диапазон 900 МГц). Практическое применение стандарта началось с 1991 года.
Еще один вариант цифрового стандарта, по техническим характеристикам схожий с D-AMPS, был разработан в Японии в 1993 году PDC. Personal Digital Cellular буквально «персональная цифровая сотовая связь».
Стандарт D-AMPS стал полностью цифровым в версии IS-136, которая начала применяться в 1996 году. Стандарт GSM в 1989 году пошел на освоение нового частотного диапазона 1800 МГц. Более широкая рабочая полоса частот в сочетании с меньшими размерами сот позволила строить сотовые сети значительно большей емкости. В 1996 году было принято решение именовать ее в GSM 1800. В США в диапазоне 1900 МГц работает система персональной связи PCS.
Эксплуатация первой коммерческой сотовой системы подвижной связи на базе технологии CDMA была начата в сентябре 1995 году в Гонконге. Система CDMA применяется в основном в тех случаях, когда требуется построить сеть повышенной емкости или с более высоким качеством передачи речи.
Промежуточные стандарты мобильной сотовой связи 2,5G, технологии GPRS, EDGE, CDMA.
Пакетная радиосвязь общего пользования GPRS (англ. General Packet Radio Service) это надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. Режим GPRS позволяет пользователю мобильного телефона производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями. В том числе интернет. GPRS предполагает тарификацию по объему переданной/полученной информации, а не времени.
Технология EDGE (англ. Enhanced Data rates for GSM Evolution) это дальнейшее развитие GPRS. Отличающееся только способом кодирования данных, что позволяет за один таймслот передавать больший объем данных. EDGE иногда называют 2,75G.
Мобильная технология передачи цифровых данных 1xRTT (One Times Radio Transmission Technology) основана на CDMA-технологии. Она использует принцип передачи с коммутацией пакетов. Данная технология официально относится именно к стандартам третьего поколения. Все же ее нередко сопоставляют с сетями поколений 2.5G и 2.75G, с которыми она имеет массу сходств и вполне может сравниваться.
Основные характеристики поколений мобильной сотовой связи 1G, 2G, 3G, 4G, 5G.
Стандарты мобильной сотовой связи 3-го поколения 3G.
Цифровые системы третьего поколения основаны на методе множественного доступа с кодовым разделением каналов CDMA. Первый стандарт 3G был разработан в 1992-1993 годах в США и назывался IS-95 (диапазон 800 МГц). Он начал применяться с 1995-1996 годов в Гонконге, США, Южной Корее. А в США начала использоваться и версия этого стандарта для диапазона 1900 МГц.
В то же время был разработан стандарт UMTS, получивший наибольшее распространение в странах Европы и СНГ. Основой этого стандарта стала технология W-CDMA, являющаяся одним из вариантов CDMA. В зависимости от поддержки телефоном сетей UMTS, а также в случае нахождения в зоне покрытия этой сети, связь может обеспечиваться либо посредством GSM, либо посредством UMTS.
Из семейства 3G-стандартов связи наиболее широко распространенный в Европе UMTS использует частотный диапазон 2100 МГц. Для полноценной работы системы требуется несколько полос частот (МГц):
1900-1980.
2010-2025.
2110-2170.
2500-2570.
2620-2690.
Таковы особенности стандарта, обеспечивающего высокоскоростной обмен данными.
Промежуточный стандарт мобильной связи 3,5G, технология HSPA.
Высокоскоростная пакетная передача данных HSPA (High Speed Packet Access) это технология, являющаяся дальнейшим развитием стандарта UMTS. Она основана на стандарте HSDPA, который регламентирует передачу данных от базовой станции к абоненту. И стандарте HSUPA, регламентирующем передачу от абонента к базовой станции.
Стандарты мобильной сотовой связи 4-го поколения 4G.
Наиболее часто упоминаемые технологии поколения 4G и претендующие на них это LTE, Mobile WiMAX, HSPA+. Наиболее популярны сети WiMAX и LTE. Первую в мире сеть LTE в Стокгольме и Осло запустил альянс TeliaSonera/Ericsson в 2008 году. Расчетное значение максимальной скорости передачи данных к абоненту составляло 382 Мбит/с, 86 Мбит/с от абонента.
Стандарт WiMAX не все относят к 4G. Он не интегрирован с сетями предыдущих поколений, таких как 3G и 2G. А также из-за того, что в сети WiMAX сами операторы не предоставляют традиционные услуги связи. Такие как голосовые звонки и SMS, хотя и пользование ими возможно при использовании различных VoIP сервисов. Международный союз электросвязи разрешил сетям HSPA+ называться 4G, так как они обеспечивают соответствующие скорости.
Как и для UMTS, сложилась похожая ситуация с рабочими диапазонами для систем широкополосного доступа вроде Wi-Fi и WiMax. Они используют частоты 2,2-6,5 ГГц. Диапазоны 3400-3500 МГц и 5650-5725 МГц уже открыты при условии соблюдения электромагнитной совместимости с уже существующими системами.
На практике это обозначает ограничение мощности передатчика, а значит, и площади покрытия для одной базовой станции. А вот для диапазонов 2300-2400 МГц, 2500-2570 МГц, 2620-2690 МГц, 3500-3600 МГц, 3600-3800 МГц, 5470-5650 МГц, 5725-6425 МГц также необходима конверсия.
Стандарты мобильной связи 5-го поколения 5G.
Пятое поколение мобильной связи разрабатывается на основе стандартов телекоммуникаций, следующих за существующими стандартами 4G/IMT-Advanced. В настоящее время стандартов для развертывания 5G-сетей не существует.
Исходя из того, что новые поколения стандартов сотовой связи появлялись в среднем каждые 10 лет. С первого 1G (NMT) в 1981 году, 2G (GSM) в 1992 году, 3G (WCDMA/FDMA) в 2001 году, 4G (3GPP LTE, WiMax) в 2010 году. Внедрение международного стандарта 5G можно ожидать в районе 2020 года.
Предполагается, что технологии мобильной сотовой связи 5G будут обеспечивать более высокую пропускную способность по сравнению с технологиями 4G. Это позволит обеспечить:
Большую доступность широкополосной мобильной связи.
Использование режимов device-to-device (букв. «устройство с устройством»).
Сверхнадежные масштабные системы коммуникации между устройствами.
Более короткое время задержки.
Меньший расход энергии аккумуляторов, чем у 4G-оборудования.
По материалам книги Системы мобильной связи.
Н. Н. Буснюк, Г. И. Мельянец.
