Мережі третього покоління

     Міністерство  освіти і науки, молоді та спорту України

     Національний  університет кораблебудування

     імені адмірала Макарова 
 
 
 
 
 

Реферат 

з дисципліни «Бездротові мережі»

на тему «Мережі третього покоління» 
 
 
 
 

Підготував: студент

групи 5157

Фалько  Д.О.

Перевірив: викладач

Толстой Ф.В. 
 
 
 

Херсон

2011 

План 

    Введение

    3G (от англ. third generation — «третье поколение»), технологии мобильной связи 3 поколения — набор услуг, который объединяет как высокоскоростной мобильный доступ с услугами сети Интернет, так и технологию радиосвязи, которая создаёт канал передачи данных.

    Мобильная связь развивается в мире стремительными темпами, непрерывно расширяя объем  и качество предоставляемых услуг, делая их массовыми, общедоступными и приспособленными к индивидуальным потребностям пользователей. Реализация новых возможностей обеспечивается как за счет совершенствования существующих сетей, так и реализации новых технических решений, связанных с созданием глобальной сетевой инфраструктуры.

    Одним из наиболее грандиозных проектов конца XX века является концепция IMT-2000. В ее основе лежит идея создания нового поколения семейства систем беспроводного доступа, сотовой и спутниковой связи. Ключевые требования, предъявляемые к стандартам семейства IMT-2000, - дешевые карманные терминалы, обеспечение глобального роуминга и универсальные решения для сетей разного класса (микросотовых, сотовых и спутниковых).

    Разработки  технологии мобильной связи 3 поколения начаты в 1997 году.

    Задача  создания мобильных сетей третьего поколения заключается не только в разработке мобильных телефонов  лучшего качества. Каналы связи 3G должны обеспечивать работу мультимедийных приложений, включая видеотелефонию, видео по требованию и другие формы широкополосной связи.

    Международный телекоммуникационный союз (ITU) разработал стандарт IMT-2000 (International Mobile Telecommunications), для 3G, который открывает путь совершенствования приложений и сервисов. Первая сеть 3G была разработана в Японии в 2001 году. 

    Стандарт IMT-2000 включает в себя следующие стандарты:

• W-CDMA (Code Division Multiple Access)
• CDMA2000
• TD-CDMA/TD-SCDMA
• DECT
• UWC-136

    2. Характеристика стандарта

    Мобильная связь третьего поколения строится на основе пакетной передачи данных. Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона, как правило, в диапазоне около 2 ГГц, передавая  данные со скоростью до 14 Мбит/с. Они позволяют организовывать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы и т. д.

    В сетях 3G обеспечивается предоставление двух базовых услуг: передача данных и передача голоса.

    Согласно  регламентам ITU (International Telecommunications Union) — Международный Союз Электросвязи) сети 3G должны поддерживать следующие скорости передачи данных:

• для абонентов с высокой мобильностью (до 120 км/ч) — не менее 144 кбит/с;
• для абонентов с низкой мобильностью (до 3 км/ч) — 384 кбит/с;
• для неподвижных объектов — 2,048 кбит/с.

    Основные  тренды в сетях 3G:

• преобладание трафика data-cards (USB-модемы и PCMCIA-карты для ноутбуков) над трафиком телефонов и смартфонов 3G;
• постоянное снижение цены 1 Мб трафика, обусловленное переходом операторов к более совершенным и эффективным технологиям.

    Сети 3G отличаются повышенной экологической  безопасностью: мощность излучения  передатчика терминала существенно  ниже, чем в других стандартах: пиковая  — 200 мВт, средняя на большей части обслуживаемой территории примерно на порядок ниже пиковой.

    3G-технологии  предлагают огромное многообразие  различных сервисов, что существенно  расширяет возможности коммуникаций. Видео конференции в такси,  просмотр отрывков из любимых  мыльных опер в поезде, доступ к мультимедиа, мультимедиа игры являются лишь некоторыми примерами из этого ряда. И все эти видов услуг доступны с помощью компактного 3G сотового телефона. Скорость передачи данных по методу WCDMA составляет 2 Мбит/с.

    Разработана технология сотовой связи для Европы и Японии UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) - Универсальная система мобильной связи, которую также часто называют 3GSM.

    Начиная с 2006 года, на сетях UMTS стала внедряться технология высокоскоростной пакетной передачи данных от базовой станции к мобильному терминалу HSDPA. Поддерживала скорость передачи данных в режиме от базовой станции к мобильному терминалу до 7,2 Мбит/сек (в перспективе 14 Мбит в сек).

    Современные мобильные телефоны имеют высококачественные дисплеи, фото- и видеокамеры, встроенные средства для воспроизведения MP3-музыки и JPEG-изображений.

    3G -стандарты в настоящий момент (начало 2009 года) еще не установились  и продолжают разрабатываться  (3GPP)

    Работа 3G -H.324M обычно содержит две фазы: формирование соединения (канала - документ 3G TS.26.112) и собственно передачи данных (документ 3G TS.26.111).

    Процедура установления соединения (setup) определена для WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Рабочая группа TS.26.111 использовала ITU-T H.324M для мультимедиа конференций через коммутируемые каналы и добавила голосовой и видео-кодеки с обязательными требованиями для обработки ошибок, опционно определенными в ITU-T H.223.

    Для сетей 3G CDMA2000 3GPP2 добавила совместимость с системами 3G -324M.

    VoIP определяет новые уровни коммуникационных  сервисов. В этот перечень входит  видеоконференции точка-точка, а  также точка-мультиточка для мобильных  объектов; передача видео трафика  в виде ТВ для мобильных  телефонов, видео по требованию, многоканальное телевидение реального времени, а также видео игры с большим число удаленных участников.

    IP-сервисы  (WEB, e-mail и пр.) реализуются путем  подключения мобильного  3G -телефона через радиомодем к одному из сервис-провайдеров. Система телефонных номеров определяется, как и раньше, стандартом E.164. Надежность гарантируется на уровне 99,99%.

    Шлюзы 3G -324M обеспечивают коммуникацию между устройствами, следующими данному протоколу, а также другими терминалами (IP, ISDN и т.д.) и устройствами VoIP.

    Протокол 3G -324M использует самые разные технологии. Для управления и адресации применен метод TMD. Для обработки запросов используется стандарт H.245. Всего Протокол 3G -324M содержит в себе 4 составные части:

• Модем или другой генератор потока бит. Эта часть реализуется встроенным оборудованием и программами, которые осуществляют связь между двумя телефонами.
• Сигнальный канал. Этот канал используется обмена возможностями и реализации видео- аудио- и информационных каналов между двумя телефонами. Этот сигнальный канал следует протоколу H.245
• Данные. Эта часть представляет собой аудио и видео кодек для передачи соответствующей информации. Именно эта часть позволяет пользователю что-то видеть и слышать. Данные здесь инкапсулируются в рамках различных стандартов, например MPEG-4.
• Мультиплексор. Этот программный модуль мультиплексирует и демультиплексирует сигнальные и информационные каналы для обеспечения приема и передачи данных через модем. Эта часть следует протоколу H.223.

    Рис. 1. Компоненты протокола 3G -324M 

    CCSRL - Control Channel Segmentation and Reassembly Layer

    NSRP - Numbered Simple Retransmission Protocol

    AMR - Adaptive Multi Rate

    Базовый протокол H.324

    Терминалы Н.324 могут передавать в реальном масштабе времени голос, виде или  данные в любой комбинации. Эти терминалы могут быть встроены в персональный компьютер или видеотелефон.

    Протокол мультиплексирования H.223

    Протокол H.223 включает в себя уровни мультиплексирования/демультиплексирования  и уровень адаптации. Уровень  мультиплексирования осуществляет коммутацию для логического и управляющего каналов и направляет битовый поток на физический уровень. Здесь не выполняется какого-либо контроля ошибок.

    Адаптационный уровень выполняет детектирование ошибок для каналов управления. Для  адаптационного уровня принято три формата:

• AL1 - использует канал управления Н.245 и информационные каналы.
• AL2 - используется для аудио- и видеоканалов.
• AL3 - используется для видеоканалов.

    Протокол  Н.223 специфицирует пакетно-ориентированную  процедуру мультиплексирования  для малых скоростей передачи данных. Н.223 применим для любых комбинаций аудио- видео и информационных обменов. Этот протокол имеет низкую избыточность и обеспечивает малые задержки доставки. Он может объединять данные из разных логических каналов в один пакет.

    Дополнение А специфицирует протокол, который обрабатывает случаи ошибок базового канала (L1) мобильных расширений стандарта Н.223

    Дополнение  В специфицирует протокол, который  способен обрабатывать более высокий  уровень потока ошибок. 

    Рис. 2. Кадр мультиплексирования 

    Дополнение  С специфицирует протокол третьего уровня для мобильных расширений Н.233. Это дополнение имеет дело с  мультимедийными телефонными терминалами  при высоком уровне ошибок.

    Здесь рассмотрены опции для решения  следующих задач:

• Детектирование и коррекция ошибок.
• Последовательная нумерация
• Автоматическое повторение запросов
• Возможности ретрансмиссии
• Сегментация

    Приложение D определяет рабочий режим для  поддержки ISDN при скоростях обмена 56-1920 кбит/с.

    Протокол управления Н.245

    Канал Н.245 используется оконечными устройствами для передачи аудио и видео. Этот протокол применяется также для управления формированием и закрытием логических каналов и для посылки мультиплексных таблиц участникам обмена. Канал Н.245 остается открытым в течение всей сессии.

    Сообщения Н.245 кодируются. Сообщения группируются в три категории - возможность (capability), управление каналом и операции в  канале. Сообщения возможности описывают мультимедийные возможности конечных узлов и определяют их взаимодействие в режиме master/slave. Сообщения управления каналом контролируют локальный канал между оконечными узлами. Сообщения канальных операций используют логический номер канала для спецификации связи, через которую осуществляется выполнение операции.

    Каждая  из описанных выше категорий имеют четыре типа сообщений: запрос, отклик, команда и индикация. Сообщение запрос предполагает получения отклика, а для сообщения команды такой отклик не требуется. Сообщение индикации не требует от получателя никаких действий или отклика. 

    Рис. 3. Архитектура средств управления 3G-324M 
 
 
 

    3. Концептуальные основы IMT-2000

    Концегщия IMT-2000 базируется на следующих принципах построения систем 3-го поколения.

    Связь всегда и везде

    Термин «связь всегда и везде» (Anywhere, Anytime) играет основополагающую роль в концепции IMT-2000 и подразумевает, что услуги связи должны быть доступны в любом месте на поверхности Земли и в любое время. Глобализация связи создает предпосылки, при которых пользователь может получить доступ ко всему спектру информационных услуг других сетей, распределенных по всей территории земного шара, т.е. независимо от окружающих условий. Реализация услуг осуществляется за счет межсистемного глобального роуминга через базовые станции сотовой сети или станции сопряжения сети персональной спутниковой связи (рис. 2.4). ITU разработал рекомендации, позволяющие интегрировать в рамках IMT-2000 внутриофисные, городские, региональные и глобальные системы подвижной связи.

    В создании систем 3-го поколения важное место занимает технология Универсальной персональной связи UPT (Universal Personal Telecommunication). Согласно концепции UPT каждому жителю Земли должен быть выделен персональный телефонный номер, по которому он мог бы войти в любую сеть связи, в любое время суток и в любом месте, где бы не находился.

    Рис. 4. Интеграция сетей наземной и спутниковой связи в рамках IMT-2000

    С номером UPT ассоциирован профиль абонента, тo есть набор услуг связи, доступных конкретному абоненту, и персональные требования/режимы связи. Профиль UPT может разрешить отправку/прием факсимильных сообщений или включение в режим конференц-связи, мобильный доступ к Internet и Web-услугам в различных режимах поиска и просмотра мультимедийной информации.

    Единое информационное пространство

    В основе концепции построения IMT-2000 лежит принцип мобильного доступа ко всем ресурсам единого общемирового информационного пространства. Новое поколение мобильной связи откроет большие возможности для получения различных видов информации за счет увеличения скорости передачи информации до 2,048 Мбит/с.

    Задача построения глобальной общемировой телекоммуникационной сети подвижной связи предполагает разработку унифицированных методов доступа к узлам информационных сетей. Важная роль отводится спутниковым системам, которые в сочетании с сетями наземного доступа позволят довести информацию до любого уголка Земли. Для решения такой задачи необходимо создание гибкого радиоинтерфейса, обеспечивающего совместимость глобальных спутниковых и наземных сетей.

    Универсальный мобильный доступ к общемировым информационным ресурсам реализуется путем интеграции радиосетей и Internet. На первом этапе мобильные терминалы получат доступ к фиксированным Web-узлам Internet. На последующих этапах подвижные узлы радиосетей смогут выполнять функции Web-узлов и хост-систем (серверов) Internet, что обеспечит глобальную связность локальных ресурсов сотовых сетей и доступ к ним с любых типов абонентских устройств. Например, абоненты смогут стандартным образом обращаться к узлам своих домашних локальных сетей, находясь в поездах, и работать с разнообразной персональной информацией (просмотр поступающих сообщений, контроль банковских счетов, поиск документов в домашних архивах и т.п.). 

    Единое частотное пространство

    В соответствии с концепцией ІМТ-2000 в системах 3-го поколения предполагается создание единого частотного пространства шириной 230 МГц с разными сценариями использования. Примечательно, что полосы частот, выделенные для наземной и спутниковой связи, расположены рядом, что позволяет в перспективе говорить о возможном объединении терминалов, работающих в соседних полосах частот.

    Реализуются также два принципиально различающихся по концепции выделения частотного ресурса подхода - это работа в старых, уже освоенных диапазонах, с возможным в перспективе постепенным их расширением, и выделение «индивидуальных» полос частот для новых технологий 3-го поколения. За ІМТ-2000 уже закреплены «на всемирной основе» два сплошных участка спектра шириной 230 МГц в районе 2 ГГц, которые поделены между системами беспроводного доступа, сотовой и спутниковой связи.

    Новый подход, который впервые реализован в IMT-2000, связан с выделением парных полос частот для систем, работающих с частотным дуплексным разносом (FDD) и непарных для систем с временным дуплексным разносом (TDD).

    Комбинированное использование двух режимов FDD и TDD делает систему гибкой, позволяя изменять пропускную способность и способы организации связи. Так, режим FDD более эффективен при больших размерах сот и высокой скорости передвижения абонентов Режим TDD, напротив, предназначен для применения в пико- и микросотах, т.е. там, где абонент передвигается с невысокой скоростью.

    Преимущество режима TDD заключается в более эффективном использовании радиоканалов при асимметричных потоках информации, передаваемых в прямом и обратном направлениях связи. 
 
 
 

    Мобильный терминал

    Концепция систем 3-го поколения подразумевает предоставление услуг мультимедиа, включая высокоскоростную передачу информации, видео и речи, факсов и данных любому абоненту с использованием мобильного терминала, имеющего единый номер. В век информационных технологий мобильный телефон перестает быть просто средством голосовой связи, а становится мультимедийным абонентским устройством, способным передавать и принимать графические данные и видеоизображения. Такие услуги должны предоставляться по минимальной цене, обеспечивать приемлемое качество и уровень безопасности. Конечная цель систем 3-го поколения - создание массового рынка для удовлетворения потребностей в персональной связи. Успех систем 3-го поколения будет зависеть как от размеров тарифов за услуги мобильной связи, платы за использование сетей общего пользования, так и стоимости абонентского терминала.

    Ключевое требование концепции - использование портативных, дешевых и гибких абонентских терминалов. Абоненты новых систем будут располагать удобными и компактными терминалами, которые по своим возможностям значительно расширят традиционное представление о радиотелефонах. Абоненты получат массовые (доступные по цене и простоте использования) терминалы, которые будут обеспечивать новые возможности связи и обработки информации.

    В системе IMT-2000 предполагается использовать перепрограммируемые терминалы, адаптирующиеся к требованиям пользователей. Такие терминалы должны конструироваться по модульному принципу с возможностью их модификации и гибкой комплектации в зависимости от требований пользователей. Предусматривается гибкая настройка терминала на различные стандарты радиосвязи и обеспечение работы терминала в различных операционных средах. Одновременно с предоставлением такого широкого спектра услуг, новые терминалы будут очень просты и удобны в обращении, т.е. основаны на современном принципе «включи и пользуйся» [23]. 

    Объединение сетей мобильной и фиксированной связи

    С проблемой организации роуминга тесно связана задача интеграции и конвергенции услуг фиксированной и мобильной связи (FMC), т.е. реализация принципа «один человек - один телефон».

    Несмотря на стратегическое и очень существенное различие в сетевых архитектурах и способах реализации услуг фиксированной и мобильной связи - их стартовые возможности примерно одинаковы, т.е. абонентам требуется обеспечить примерно идентичный набор конвергируемых услуг и тарифов.

    На первый взгляд кажется, что фиксированные и мобильные услуги - это вещи несовместимые, и что их реализация весьма проблематична. По мере того, как сотовая связь превраща-. ется из элитной услуги в массовую, все насущней становится проблема конвергенции.

    Долгое время основным препятствием на пути конвергенции оставалось низкое качество передачи речи. Если на первом этапе развития мобильной связи это было как-то оправдано - «разумная цена» за выигрыш в мобильности. Однако современные речевые кодеки позволяют довести качество речи в беспроводной сети до уровня фиксированной связи. Ряд услуг для рядовых абонентов, реализуемых в GSM и корпоративных УАТС, также фактически объединены, - в этом и состоит реальная конвергенция.

    Современные службы на базе коммутации каналов уже сейчас в состоянии предоста-, вить стационарному абоненту элементы мобильности. Услуги оказываются непосредственно там, где находится абонент. Ему предоставляется единый персональный номер с переключением, между разными проводными сетями или радиосетями, работающими в прозрачном по отношению к вызывающему абоненту режиме.

    Основные дискуссии в области FMC-конвергенции в настоящее время ведутся вокруг двух проблем: услуг и тарифов. Учитывая, что услуги prepaid (предоплаченные услуги) уже оказали положительное влияние на растущие рынки мобильной связи, коммерческие выгоды от стабильного расширения роуминга для возрастающего парка абонентских средств благоприятно скажутся на операторской деятельности.

    Какой бы подход не выбрали операторы для интеграции услуг фиксированной и мобильной связи, два фактора играют определяющую роль: преемственность поколений систем связи и оптимальная стратегия конвергенции. Чтобы выиграть у своих конкурентов, необходимо решить главную задачу - предоставлять широкий ассортимент услуг и по более низкой цене. 

    Преодоление «технологической пропасти»

    В последнее время в мире заметно увеличился дисбаланс между новыми возможностями систем 3-го поколения и реально существующей во многих странах телекоммуникационной инфраструктурой, т.е. образовалась так называемая «технологическая пропасть».

    В связи с этим ITU просматривает другие возможности, которые смогли бы «навести мосты над пропастью» (Bridge the Telecommunications Gap) с учетом особенностей телекоммуникационной инфраструктуры слаборазвитых стран: малой плотности населения и, больших территорий. Для таких регионов предлагается использование маловысотных летательных аппаратов с ретрансляторами на борту, позволяющими по сравнению с традиционными базовыми станциями существенно расширить зону обслуживания и снизить время развертывания системы.

    Особо большое значение эта проблема имеет для России, значительная часть территории которой расположена в труднодоступных районах, где организация полноценного наземного сегмента проводной или сотовой связи нерентабельна. Немаловажную роль может сыграть низкий платежеспособный спрос в ряде регионов на новые услуги, тем более, что даже «старые» в полной мере невостребованны. Люди, которые никогда ранее не пользовались услугами связи, не видят необходимости за них платить. Выход видится в постепенном наращивании услуг и создании, в первую очередь, недорогих систем мобильной связи, которые позволят быстро решить проблему информационной изоляции труднодоступных и малонаселенных районов.

    4. UMTS - европейский подход к IMT-2000

    Идея создания UMTS возникла в начале 90-х годов на волне успехов европейской экономической интеграции и успешной реализации в очень сжатые сроки такого масштабного международного проекта как GSM. Разработка и принятие широкой номенклатуры стандартов GSM подтвердили высокую действенность общеевропейского подхода.

    В 1994 г. Европейская Комиссия определила важнейшие принципы построения перспективной общеевропейской инфраструктуры систем мобильной и персональной связи. Эти требования изложены в Зеленой книге (Green Paper on Mobile and Personal Communications) - программном документе, определившем общеевропейское движение к системам 3-го поколения.

    После этого под эгидой Европейской Комиссии началась реализация программы международных исследований по перспективным высокоскоростным технологиям мобильной и персональной связи, интеллектуальным сетям и др. Такая программа получила название ACTS (Advanced Communications Technologies and Services), одним из основных направлений ее развития стала разработка концепции UMTS.

    Для объединения усилий всех заинтересованных сторон в 1996 г. был образован UMTS Forum - широкий по своим функциям и сферам компетенции международный координирующий орган, определяющий европейскую политику в области мобильной и персональной связи. Основной сферой его деятельности стала выработка согласованных решений по стандартизации UMTS и регулированию радиочастотных ресурсов.

    Концепции UMTS и IMT-2000 во многих чертах сходны, однако с точки зрения реализации UMTS имеет ряд существенных преимуществ. Предлагаемые в UMTS технические решения были апробированы в ряде НИР/ОКР, проводимых с участием крупных фирм-производителей (Nokia, Ericsson, Alcatel, Siemens, Italtel).

    UMTS разработана как глобальная система, включающая как наземные, так и спутниковые сети. Диапазон возможностей и областей применения UMTS необычайно широк. В отличие от GSM и других систем 2-го поколения в UMTS предлагается широкий спектр услуг по высококачественной передаче речи, данных, мультимедийных услуг при конкурирую щих ценах в условиях динамично изменяющегося рынка связи. При этом UMTS позволит организовать полное взаимодействие с системами GSM и ее модификациями (GPRS, EDGE и др.), чтобы не потерять уже вложенные инвестиции.

    Защита от обрывов

    В сетях 3G есть очень важное преимущество - защищенность от обрывов связи, когда  вы находитесь в движении за счет использования так называемого "мягкого хендовера": по мере удаления от одной базовой станции уже на границе ее обслуживания вас обязательно "подхватывает" другая. Она начинает передавать вам все больше и больше информации, в то время как первая станция передает все меньше и меньше, пока вы вообще не покинете ее зону. При хорошем покрытии сети, вероятность обрыва полностью исключается системой подобных "подхватов"; правда в движении (особенно со скоростью >60км/ч) добиться максимальной скорости передачи данных всё равно не удастся.