Мобильные системы связи

МОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ 

СВЯЗИ 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                           Выполнила:

                                                                                 студентка группа  

                                                                   Преподаватель: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2009 
 
 
 
 

Содержание:

1. Введение…………………………………………………………..3
2. Стандарты 1-го поколения……………………………………….3
3. Стандарты 2-го поколения……………………………………….4
4. Стандарты 3-го поколения……………………………………….8
5. Стандарты 4-го поколения……………………………………….9
6. Список литературы………………………………………………11

1.Ведение

Мобильная связь — это радиосвязь между абонентами, местоположение одного или нескольких из которых меняется. Одним из видов мобильной связи является сотовая связь.

Технологии  сотовой связи развиваются в  течение значительного промежутка времени и имеют собственную  историю, насчитывающую уже шесть поколений связи (4 базисных поколения + 2 переходных). Каждое поколение насчитывает около десятка технологий и стандартов связи, разобраться в которых порой бывает трудно.

Таблица поколений связи

2. Стандарты 1-го поколения.

Первые  системы двусторонней радиотелефонной  связи между подвижными объектами появились более 50 лет назад. Связь осуществлялась на фиксированных частотах, а передаваемые сигналы занимали в эфире широкую полосу частот. С развитием техники традиционной (конвенциональной) радиосвязи возникли проблемы, связанные с ограниченным частотным ресурсом и низкой пропускной способностью таких систем.

Идея  создания сотовых систем была основана на разбиении обслуживаемой территории на небольшие зоны (соты), в каждой из которых размещена, как правило, одна базовая станция. Такой принцип организации связи позволяет увеличить число абонентов и повысить качество связи за счет повторного использования одних и тех же частот в различных сотах.

Однако  прошло много лет, прежде чем такие  системы были реализованы на практике. Лишь в начале 80-х годов в ряде стран были развернуты коммерческие системы сотовой связи, использующие для передачи речи аналоговую частотную модуляцию. Одной из первых начала предоставлять услуги система NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), созданная в 1981 г. 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-101Н (Италия).

Наиболее  мощный толчок к разработке новых  систем сотовой и транкинговой 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 подвижной сотовой связи (СПСС). Все перечисленные стандарты являются аналоговыми и относятся к первому поколению систем сотовой связи.

По своим  характеристикам СПСС первого поколения выгодно отличались от используемых ранее систем двусторонней речевой связи. Благодаря сотовому принципу территориально частотного планирования удалось добиться лучшего качества связи при более высокой эффективности использования частотного спектра.

Стандарт NMT-450 особенно удобен при обеспечении  связи на больших территориях  с относительно малой плотностью населения. Этот стандарт до сих пор занимает прочную позицию на рынке подвижной связи. В России на долю NMT-450 приходится около 10% всех абонентов сотовых сетей, и он принят наряду с GSM в качестве федерального.

Первый  опыт эксплуатации аналоговых систем позволил выявить также и ряд присущих им недостатков: возможность прослушивания переговоров, наличие двойников, перегруженность частотного диапазона вследствие его неэффективного использования, ограниченность зоны действия. Кроме того, распространение радиоволн в условиях интенсивных городских застроек связано с возникновением глубоких селективных замираний, вызванных многолучевым распространением радиоволн. Наличие замираний приводит к ухудшению отношения сигнал/шум на выходе ЧМ приемника на 10-20 дБ. Таким образом, с точки зрения качества передачи речи системы первого поколения не оправдали возлагавшихся на них ожиданий. 

3. Стандарты 2-го поколения

Первые  проекты цифровых систем сотовой  связи, которые сейчас принято относить ко второму поколению, появились в начале 90-х годов. Они отличаются от аналоговых систем двумя принципиальными отличиями [6]:

а) 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);

б) предоставлением  пользователям широкого спектра  услуг за счет интеграции передачи речи и данных с возможностью шифрования (засекречивания) данных.

Переход на цифровые способы передачи и обработки информации позволил существенно сократить число стандартов. К 1995 г. в мире действовали цифровые системы трех стандартов - GSM, D-AMPS (IS-54, впоследствии IS-136) и РDС.

Широкое распространение получил общеевропейский стандарт GSM, который был создан по инициативе специальной группы подвижной связи Group Special Mobile, GSM (позднее была предложена другая расшифровка названия стандарта GSM - Global System for Mobile Communications), организованной в рамках ETSI. Первая коммерческая сеть, работающая в стандарте GSM, была развернута в 1992 г. в Германии. С тех пор стандарт непрерывно развивается и совершенствуется. Он уже адаптирован для работы в частотном диапазоне 1800 МГц (GSM-1800) и 450 МГц (GSM-400) в Европе и 1900 МГц (PCS) в США.

Начало разработки цифровых технологий в США положил стандарт IS-54, который разрабатывался с целью повышения емкости действующих в США аналоговых систем AMPS, и был одобрен в 1989 г. подкомитетом TR45.3 TIA. В системе TDMA(D-AMPS,IS-136) заложены современные технические решения, позволившие реализовать 3 речевых канала в одночастотном канале системы AMPS (ширина канала 30 кГц). Первые системы на базе этого стандарта были введены в эксплуатацию в 1992 г. В США стандарт TDMA является базовым -- им пользуются более 40% абонентов. Распространение технологии TDMA не ограничивается Северной Америкой.

В развитии цифровой сотовой связи от Европы и США не отставала и Япония, разработавшая собственный стандарт PDC (Personal Digital Cellular)  - персональная цифровая система сотовой связи. Японский стандарт подвижной связи был утвержден в 1994 г. Сети на базе РDС развертываются в основном для национального использования и не оказывают существенного влияния на мировой рынок. В Японии сеть РDС обеспечивает покрытие практически всей территории, на которой проживает около 99% ее населения.

Эксплуатация  первой коммерческой сотовой системы подвижной связи на базе технологии CDMA была начата в сентябре 1995 г. в Гонконге. До этого момента стандарт IS-95 получил одобрение ITU и вошел в состав Рекомендации М.1073 1TU-R. Число сотовых сетей, построенных на базе CDMA (IS-95) и предоставляющих услуги как фиксированной, так и подвижной связи, неуклонно растет. Система CDMA применяется в основном в тех случаях, когда требуется построить сеть повышенной емкости или с более высоким качеством передачи речи.

Следующий важный шаг в развитии сотовых  систем после введения цифровых технологий - переход к микросотовой и пикосотовой структуре сетей. Использование таких сетей позволяет обслуживать абонентов в городских районах с интенсивной застройкой и закрытых зонах (офисы, подземные гаражи и др.). Принципы построения микросотовых систем отличаются от макросотовых систем. В них отсутствует частотное планирования, не обеспечивается хэндовер, не осуществляется измерение уровня сигнала. В 1992 г. был утвержден европейский стандарт DECT (Digital European Cordless Telecommunications) реализующий технологию радиодоступа с малой мощностью излучения (10-25 мВт) и обеспечивающий очень высокую плотность расположения абонентских устройств. Широкое внедрение технологии началось с 1995 г., когда было продано около 2 млн. терминалов.

Исторически так сложилось, что профессиональные системы радиосвязи (в последние  годы они чаще называются транкинговыми) начали создаваться задолго до появления сотовых. К профессиональным системам, как известно, относятся различные ведомственные и корпоративные радиосети для скорой помощи, служб охраны порядка и др. Развитие таких сетей идет в направлении улучшения качества и конфиденциальности связи.

Многие  виды современных услуг не могли  в полной мере предоставить системы  первого поколения (SmartTrunk II, LTR, Multi-Net, Accessnet, Smartnet, EDACS, MPT 1327).

Отличительная особенность транкинговых систем - возможность эффективного использования полосы частот за счет организации свободного доступа к общему частотному ресурсу ретрансляционного пункта, содержащего обычно несколько ретрансляторов, связанных друг с другом с помощью общей шины управления. Гибкая архитектура транкинговых систем позволяет передавать как индивидуальные вызовы, так и вызовы абонентов нескольких групп или сразу всех абонентов сети. Работа станции на излучение в таких системах обычно осуществляется не непрерывно, а лишь по нажатию тангенты радиотелефона, что уменьшает перегруженность эфира.

Однако  существующие сети профессиональной связи  первого поколения не гарантируют высокой конфиденциальности и надежной защиты от несанкционированного доступа, и, что особенно существенно, не обеспечивают аутентификацию абонентов и идентификацию абонентского оборудования. Эти задачи намечено решить при создании цифровых систем профессиональной связи второго поколения (АРСО, ТЕТRА), которые призваны заменить огромное число несовместимых друг с другом аналоговых стандартов.

Стандарт на цифровую систему транкинговой связи АРСО 25 разработан в США. Его реализацию намечено осуществить в два этапа с целью плавного перехода от существующих аналоговых сетей к цифровым. С технической точки зрения переход ко второму этапу связан со снижением в 2 раза шага сетки частот (до 6,25 кГц) и использованием спектрально эффективной модуляции CQPSK.

Под влиянием впечатляющих успехов стандарта  сотовой связи GSM в ETSI был разработан общеевропейский стандарт цифровой транкинговой системы радиосвязи ТЕТRА (TransEuropean Trunked Radio). В ТЕТRА заложены универсальные технические решения, которые позволяет с минимальными затратами реализовывать систему в разных диапазонах частот и с отличающимися протоколами связи. Наряду с экономией частотного ресурса система ТЕТRА обеспечивает большие возможности в части наращивания технических возможностей, предусматривая в перспективе предоставление услуг 3-го поколения и реализацию разных сценариев внедрения.

Системы подвижной спутниковой связи  появились около 30 лет назад, когда на орбиту был выведен геостационарный космический аппарат (КА) Marisat. Первоначально мобильные земные станции (ЗС) разрабатывались как системы специального назначения (морские, воздушные, автомобильные, железнодорожные) и были ориентированы на ограниченное число пользователей. Надежность связи была невысокой, что связано с низкой энерговооруженностью подвижных объектов и проблемами обеспечения устойчивости связи при сложном рельефе местности и малых рабочих углах места. Земные станции первого поколения (стандарт Inmarsat-A) предназначались в основном для создания ведомственных и корпоративных сетей с радиальной (или радиально-узловой) структурой с большими центральными станциями.

Революционные преобразования в области мобильной  спутниковой связи произошли в начале 90-х и были обусловлены тремя факторами: коммерциализацией космических программ, использованием низкоорбитальных и средневысотных КА и повсеместным переходом на цифровую связь с использованием цифровых сигнальных процессоров (DSP). Процесс конверсии сопровождался заимствованием и переносом передовых военных технологий в коммерческие программы. В результате были реализованы несколько проектов глобальных систем спутниковой связи с КА на низких орбитах (Indium, Globalstar), средневысотных (ICO), а также две региональные системы (AceS и Thuraya).

Глобальная  система персональной спутниковой  связи Iridium была введена в эксплуатацию в конце 1998 г. Проработав около полутора лет, она прекратила свое существование. Детальный анализ случившегося еще предстоит, однако уже сейчас ясно, что великолепно задуманный и реализованный технический проект оказался не востребованным массовым рынком. Главные причины -- низкий спрос на услуги голосовой связи и просчеты в маркетинговой политике.

На этапе  формирования концепции системы (1987 г.), идея портативных спутниковых телефонов и пейджеров выглядела привлекательной и вполне конкурентоспособной. Однорежимные (спутниковые) и двухрежимные (спутниковые/сотовые) абонентские терминалы должны были обеспечить гибкую стратегию предоставления услуг и развертывания системы Iridium.

Однако  разработчики проекта Iridium не учли те серьезные изменения, которые произошли в мире за последние годы. Они прежде всего связаны с успехами наземной связи. Новые модификации сотовых телефонов легче и удобнее, а тарифы более привлекательные, чем в спутниковой связи. Кроме того, время работы без подзарядки аккумуляторных батарей в спутниковой связи меньше, а возможности работы из зданий ограничены. Что же касается обслуживания труднодоступных районов и океанов, в которых спутниковая связь не имеет себе альтернативы, то оказалось, что желающих общаться по объявленным тарифам не так уж и много, чтобы окупить эксплуатационные затраты.

В 2000 году начинается эксплуатация трех систем: глобальной системы персональной спутниковой связи Globalstar и региональных систем ACeS и Thuraya, ориентированных не только на голосовую связь, но и передачу данных. В 2001 г. введена в эксплуатацию система ICO.

Дальнейшее  развитие систем подвижной спутниковой  связи будет осуществляться в рамках реализации проектов систем 3-го поколения. 

4. Стандарты 3–го поколения 

3G — «третье поколение», набор услуг, которые объединяют как высокоскоростной мобильный доступ с услугами сети Интернет, так и технологию радиосвязи, которая создаёт канал передачи данных. 

Мобильная связь третьего поколения строится на основе пакетной передачи данных. Для  реализации систем третьего поколения  разработаны рекомендации по глобальным унифицированным стандартам мобильной  связи: обеспечение качества передачи речи, сравнимого с качеством передачи в проводных сетях связи; обеспечение безопасности, сравнимой с безопасностью в проводных сетях; обеспечение национального и международного роуминга; поддержка нескольких местных и международных операторов; эффективное использование спектра частот; пакетная и канальная коммутация; поддержка многоуровневых сотовых структур; взаимодействие с системами спутниковой связи; поэтапное наращивание скорости передачи данных вплоть до 2 Мбит/с. Несмотря на то, что конечная цель для всей индустрии телекоммуникаций — создать единую всемирную среду мобильной связи, поддерживающую широкополосные системы и обеспечивающую глобальную мобильность, в результате, скорее всего, возникнет некоторое семейство стандартов, обеспечивающее услуги третьего поколения. 
 
   Сети третьего поколения 3G работают на частотах дециметрового диапазона около 2 ГГц, передавая данные со скоростью 2 Мбит/с. Они позволяют организовывать видеотелефонную связь, смотреть на мобильном телефоне фильмы и телепрограммы и т. д.  
   Термин 3G используется для описания сервисов мобильной связи стандарта следующего (третьего) поколения, которые обеспечивают более высокое качество звука, а также высокоскоростной доступ в интернет и мультимедийные сервисы. Мобильные сети третьего поколения (3G) отличаются от сетей второго поколения (2G) гораздо большей скоростью передачи данных, а также более широким набором и высоким качеством предоставляемых услуг. 
 
   Хотя существует много различных интерпретаций того, что представляет собой 3G, единственным определением, принимаемым универсально, является определение, опубликованное Международным Институтом Электросвязи (ITU). ITU, работающий с промышленными организациями по всему миру, определяет и утверждает технические требования и стандарты, а также правила использования спектра для систем 3G в рамках программы IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000). IMT-2000 — это рекомендации, разработанные Международным Институтом Электросвязи (ITU), касающиеся вопросов использования частотного спектра и технических особенностей для всего семейства стандартов 3-го поколения. Рекомендации описывают пути эволюции существующих в мире стандартов 2-го поколения в стандарты 3-го поколения. ITU требует, чтобы сети IMT-2000 (3G), помимо прочих свойств, обеспечивали улучшенную ёмкость системы и эффективность использования спектра для систем 2G и поддерживали сервисы передачи данных со скоростями — минимум 144 кбит/с, при использовании в мобильном режиме (не в помещениях), и максимум 2 Мбита/с, в не мобильных условиях (в помещениях). 
 
    

5.Стандарты 4-го поколения

4G– новое поколение мобильных и беспроводных сетей, которое в очень недалеком будущем заменит поколение 3G. Основная потребность в мобильных системам четвертого поколения (4G) возникает в результате необходимости расширения технологических возможностей и решить сервисные проблемы мобильных систем третьего поколения (3G), которые по мнению ведущих производителей оборудования не способны удовлетворить потребности в мультимедийном обслуживании. На сегодня проект мобильных технологий 4G – концептуальная структура универсальной глобальной высокопродуктивной сети радиодоступа, имеющей все возможности интеграции с проводной пакетной сетью.

К семейству 4G, как правило, относят технологии, которые позволяют передавать данные в сотовых сетях со скоростью выше 100 Мбит/сек. В широком понимании 4G - это еще и технологии беспроводной передачи интернет данных Wi-Fi (скоростные варианты этого стандарта) и WiMAX (в теории скорость может превышать 1 Гбит/сек). В наиболее распространенном сейчас в мире стандарте сотовой связи GSM/EDGE (2G) предел скорости передачи данных составляет всего 240 Кбит/сек. В сетях третьего поколения (3G), развернутых сейчас только в Европе, США и некоторых странах Азии (Япония, Тайвань, Сингапур), скорость составляет до 7-14 Мбит/сек. 
 
Главное отличие сетей четвертого поколения от предыдущего, третьего, заключается в том, что технология 4G полностью основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе передачу как голосового трафика, так и пакетов данных.  
 
Международный союз телекоммуникаций определяет  технологию 4G как технологию беспроводной коммуникации, которая позволяет достичь скорости передачи данных до 1 Гбит/с в условиях движения источника или приемника и до 100 Мбит/с в условиях обмена данными между двумя мобильными устройствами. Пересылка данных в 4G осуществляется по протоколу IPv6 (IP версии 6). Это заметно облегчает работу сетей, особенно если они различных типов.  
 
Для обеспечения необходимой скорости используются частоты 40 и 60 GHz. Создатели приемопередающего оборудования для 4G применили испытанный в цифровом вещании прием - технологию мультиплексирования с ортогональным разделением частот OFDM. Такая методика манипулирования сигналом позволяет значительно "уплотнить" данные без взаимных помех и искажений. При этом происходит разбиение по частотам с соблюдением ортогональности: максимум каждой несущей волны приходится на тот момент, когда соседние имеют нулевое значение. Этим исключается их взаимодействие, а также более эффективно используется частотный спектр - не нужны защитные "противоинтерференционные" полосы. Для передачи сигнала применяется модуляция со сдвигом фазы (PSK и ее разновидности), при которой пересылается больше информации за отрезок времени, или квадратно амплитудная (QAM), более современная и позволяющая выжать максимум из пропускной способности канала. Конкретный тип выбирается в зависимости от требуемой скорости и условий приема. Сигнал разбивается на определенное количество параллельных потоков при передаче и собирается при приеме. 
 
Для уверенного приема и передачи на сверхвысоких частотах планируют применять так называемые адаптивные антенны, которые смогут подстраиваться под конкретную базовую станцию. Но в условиях города таким антеннам в определении правильного направления могут помешать замирания сигнала - его искажения, возникающие в процессе распространения. Здесь выручает еще одна особенность OFDM - стойкость к замираниям (для разных типов модуляции есть свой запас на замирания). Возможна и работа в условиях отсутствия прямой видимости, что так мешает телефонным стандартам GSM. Недостатки ODFM - чувствительность к доплеровским искажениям и требовательность к качеству электронных компонентов.

Список  литературы:

1. http://connect4g.narod.ru/setup_4g/
2. http://st.ess.ru/publications/1_2001/nikolaev/nikolaev.htm
3. http://my-mc.info/standards/