СЕТИ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ 1. ВВЕДЕНИЕ Отличительные черты: - подвижность абонентов, -отсутствие проводного соединения между АТ и КС Влияние СПС на личную жизнь и общество Число абонентов в мире/России Основные даты развертывания СПС в России Системы сотовой (подвижной, мобильной) связи

А. Бесшнуровые телефонные системы (конец 80- х гг.) -радиоканал вместо проводов между телефонным аппаратом и трубкой -функциональные возможности и качество связи обычного проводного телефона. -Зона радиопокрытия базовой станции (БС) в силу малой мощности БС ограничивалась пространством офиса или квартиры. -Наиболее известным стандартом беспроводной телефонии является разработанная ETSI цифровая усовершенствованная беспроводная связь DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications), сменившая беспроводные телефоны второго поколения СТ-2 (Cordless Telephony- 2). Первые спецификации DECT были опубликованы ETSI в 1992 г., а в 1997 г. появился базовый профиль DECT, поддерживающий телефонную связь в диапазоне радиочастот МГц.

Б. Пейджинговые системы Пейджинговые (paging) системы - системы персонального радиовызова, обеспечивают одностороннюю связь от центральной базовой станции к мобильному абонентскому пейджеру, к которому пересылаются адресованные ему сообщения. Сообщение имеет вид последовательности буквенно- цифровых символов.

В. Транкинговые системы Основные области применения транкинговых систем подвижной связи – корпоративные и ведомственные сети, такси, милиция, аварийные службы, автомобильные компании и т.п. В этих системах выделяется определенное количество радиоканалов всем пользователям системы, радиоканал динамически выделяется каждому абоненту на время соединения. Первая такая советская транкинговая система радиотелефонной связи «Алтай» начала эксплуатироваться в середине 60-х годов прошлого века, набрав к концу 80-х годов более 20 тысяч абонентов.

Наиболее распространенными аналоговыми профессиональными транкинговыми системами являлись системы стандарта МРТ 1327, поддерживающие метод доступа к системе типа ALOHA Цифровые транкинговые системы TETRA (Trans European Trunked Radio) стандартизованы ETSI в начале 90-х годов и предусматривают передачу как речи, так и данных, обеспечивая более высокую спектральную эффективность по сравнению с аналоговыми транкинговыми системами, лучшее использование частот, более высокую скорость передачи данных, цифровое кодирование речи с возможностью шифрования. TETRA позволяет коммутировать каналы и пакеты, передавать короткие сообщения, получать доступ в Интернет, поддерживать услуги телеметрии, передачу данных и видеоинформации.

Беспроводные компьютерные сети Как и в бесшнуровых телефонах, беспроводной доступ к локальным компьютерным сетям WLAN (Wireless Local Area Networks) имеет ограниченную зону покрытия и небольшую излучаемую мощность. Большинство WLAN работают в диапазоне нескольких ГГц. Широкое распространение, в том числе и в быту, приобрел стандарт Bluetooth. Устройства Bluetooth при малом радиусе действия (несколько м) встраиваются в персональные компьютеры, МРЗ-проигрыватели, фото- и видеокамеры, мобильные телефоны. Сети стандарта IEEE (Wi-Fi) – a, b, g, n (до 50 м)

Спутниковая связь 1947 г. – Артур Кларк В соответствии с этой теорией в СССР, а затем и в США уже в конце 50-х годов были запущены первые экспериментальные спутники связи. С тех пор на орбиту было выведено большое количество коммерческих спутников для поддержки телефонии общего пользования, а также телевидения. Первые спутники связи могли обслуживать лишь 240 телефонных каналов; сегодня с помощью спутниковой связи обслуживается значительная часть междугородного телефонного трафика и практически все телепередачи интервидения.

История радиосвязи Опыты с передачей радиосигналов на расстояние – 1888 г. Генрих Герц Никола Тесла, Попов, Маркони В 20-х гг. - системы связи с АМ, затем – с ЧМ. Первые случаи применения мобильной радиосвязи с ЧМ - 40-е гг. Ограничения – ПС – малое число абонентов География местности Качество радиосвязи. Одна ЦС «Алтай» Появление сотовых систем – аналоговые (70-е гг.), цифровые (конец 80-хх гг.

2. Принципы сотовых систем связи разделение области охвата мобильной радиосвязью на отдельные зоны, называемые сотами; наличие значительного количества радиопередатчиков (как минимум, по одному на соту) низкой мощности с небольшими зонами передачи сигналов; повторное применение частот в несмежных сотах, позволяющее повысить эффективность использования выделенного частотного диапазона; централизованное управление обслуживанием вызовов для обеспечения мобильной связи при перемещении подвижного абонента из соты в соту.

Термины, используемые в СПС сота (cellular) - сеть разделена на ряд ячеек (сот), географических участков Каждой соте назначается частотный диапазон, который можно повторно использовать в других сотах. В каждой соте имеется своя базовая станция BS (Base Station), которая содержит радиопередающее и радиоприемное оборудование и обеспечивает радиосвязь с теми мобильными телефонами, которые оказываются в данной соте.

Соты в СПС Радиус а окружности, описанной вокруг шестиугольника = длине стороны соты и расстоянию до каждой из вершин При такой сетевой конфигурации расстояние между центром ячейки и центром любой смежной ячейки равняется а антенны граничащих с ней ячеек находятся на равных расстояниях друг от друга вне зависимости от направления перемещения мобильного абонента.

Зона охвата соты зависит от ряда таких факторов, как мощность передатчика базовой станции, мощность передачи мобильного телефона, высота антенны базовой станции, топология местности. Кроме того, размеры сот варьируются и потому, что каждая сота может обслуживать только ограниченное количество сотовых телефонных аппаратов, мобильных терминалов или мобильных станций (Mobile Station, MS), обычно – от 600 до 800 Охват соты может лежать в пределах от всего лишь 100 метров до десятков километров.

Несколько базовых станций подсоединены к контроллеру базовых станций BSC (Base Station Controller), который содержит логику управления каждой из этих станций. Все BSC подсоединены к центру коммутации подвижной связи MSC (Mobile Switching Center), который управляет установлением соединений к мобильным абонентам и от них. Поддерживаются функции хэндовера и роуминга.

Хэндовер (handover - передача полномочий)

Мобильный терминал сам периодически измеряет уровень сигнала и качество сигналов, принятых как от обслуживающей этого абонента базовой станции, так и от соседних базовых станций, и передает в сеть соответствующие сообщения об измерениях. Сеть анализирует эти сообщения и принимает решение о том, нужно ли производить хэндовер между сотами. В зависимости от ситуации хэндовер может иметь место между двумя секторами одной и той же базовой станции, между двумя контроллерами BSC, между двумя центрами MSC, принадлежащими одному Оператору, или даже (при определенных условиях) между двумя сетями разных Операторов.

Хэндовер означает переключение абонента с одного радиоканала на другой радиоканал без уведомления абонента об этом изменении. Когда интенсивность сигнала падает ниже заданного уровня, то проверяется, не принимает ли соседняя сота сигнал с большим уровнем, и если это так, обслуживание мобильного абонента переключается на эту соту. 4 типа хэндовера #каналы в одной и той же ячейке; #соты (BTS), находящиеся под управлением одного и того же BSC; #соты, находящиеся под управлением различных BSC, но принадлежащие одному MSC; #соты, находящиеся под управлением различных MSC.

Роуминг Роуминг (англ. roaming – блуждающий, от англ. roam бродить, странствовать) процедура предоставления услуг мобильному абоненту вне зоны обслуживания «домашней» сети (либо базовой станции) абонента с использованием ресурсов другой (гостевой) сети. При этом абоненту не требуется заключать договор с принимающим оператором, а плата за услуги списывается с его счёта. При телефонном роуминге у абонента обычно сохраняется его телефонный номер. С технической точки зрения, обслуживание абонента сотовой сети базовой станцией, приписанной к другому коммутатору, уже является роумингом. Но чаще всего под роумингом подразумевают обслуживание в сети другого оператора. Такая услуга требует предварительной взаимной договорённости между операторами.

Ручной роуминг Автоматический роуминг Типы роуминга #Внутрисетевой (региональный) роуминг #Национальный роуминг #Международный роуминг (Европа – 900/1800 МГц, США – 850/1900 МГц; двухполосный телефон) #Межстандартный роуминг (двухстандартный телефон)

Контроль абонента Сеть отслеживает местонахождение абонента с некоторой точностью. Общее решение этой задачи состоит в следующем: Когда абонент первоначально включает свой мобильный терминал, это устройство самостоятельно посылает регистрационное сообщение к местному MSC. В состав этого сообщения входит уникальный идентификатор абонента. На основе этого идентификатора MSC может определить домашний регистр HLR, которому принадлежит абонент, и передать регистрационное сообщение в HLR, чтобы информировать его о том, какой MSC в данное время обслуживает абонента. После этого HLR передает сообщение отмены регистрации в тот MSC, который до того обслуживал этого абонента (если таковой имеется) и посылает подтверждение в новый обслуживающий MSC.

Способы доступа к радиоканалам В первых СПС (аналоговых) - множественный доступ с частотным разделением каналов FDMA (Frequency Division Multiple Access). При таком способе каждый канал занимает свою частотную полосу (например, 30 кГц) – 70-е гг. Цифровизация мобильной связи - множественный доступ с временным разделением каналов TDMA (Time Division Multiple Access), при котором каждый канал разделен на временные интервалы (конец 80-х). Требования посылаются в короткие интервалы времени, называемые слотами запросов, а при коллизиях требования повторяются. Базовая станция выделяет свободные информационные слоты, сообщая их идентификаторы источнику и получателю.

Множественный доступ с кодовым разделением каналов CDMA (Code Division Multiple Access), при которой все абоненты одновременно используют одну и ту же частоту и один временной интервал Чтобы выделить сигнал определенного абонента из всех других сигналов, передаваемых на той же частоте, этот сигнал модулируется уникальной кодовой последовательностью. Чтобы извлечь сигнал на приемном конце, нужно знать используемую для него кодовую последовательность (компания Qualcomm, 1989 г.)

3. Международные и национальные стандарты в СПС Работа ITU в области мобильной телефонии велась в рамках программы будущей системы наземной мобильной телефонной связи общего пользования (FPLMTS), которая затем была переименована в международную систему подвижной связи IMT2000. ETSI - В сфере мобильной связи Комиссия Евросоюза в 1985 году организовала европейскую программу исследований в области новейших технологий связи – программу RACE - создание стандарта GSM (Global System for Mobile communication) – 2G В рамках RACE - концепция универсальной системы мобильной связи UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) – 3G

Эволюция стандартов мобильных сетей первого поколения через сети второго поколения к стандартам мобильных сетей третьего поколения 3G. 3GPP (Third Generation Partnership Project) – объединение нескольких региональных организаций стандартизации Преемственность работ по эволюции стандарта GSM из ETSI (GPRS - General Packet Radio Service, EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution, и др.) Конвергенция фиксированных и мобильных сетей

3. Поколения сетей сотовой связи А. Первое поколение 1G (аналоговые системы) AMPS (Advanced Mobile Phone Service) в диапазоне 800 МГц (США, 1983) NMT-450 (Nordic Mobile Telephone System) – в диапазоне 450 МГц (Скандинавия, 1981) TACS (Total Access Communications System) - в диапазоне 900 МГц (Англия, 1985) Размер соты в сетях 1G составляет обычно от 10 до 20 км Достоинства Недостатки – отсутствие систем защиты (прослушивание, клонирование, fraud), условия распространения аналоговых сигналов, неэффективное использование частотного диапазона

Б. Второе поколение – 2G (цифровые системы) GSM - Global System for Mobile communications Диапазон 900 МГц 1991г. D-AMPS – Digital AMPS (США, Япония) Диапазон – 800 МГц CDMA – Code Division Multiple Access Диапазоны – 800 и 900 МГц GSM, CDMA – основные стандарты В. Поколение 2,5G GPRS - General Packet Radio Service EDGE - Enhanced Data rates for GSM Evolution

Г. Поколение 3G Переход на более ВЧ спектр (от 2ГГц) Требования по расширению услуг Необходимость ВСПД Первые рекомендации – IMT-2000 (1991) – скорость, диапазон частот, год введения сетей Результаты стандарта ITU (1999) – #Wideband CDMA, WCDMA (Ericsson) - UMTS #CDMA развитие IS-95 CDMA (Qualcomm) #TD-SCDMA (time division-synchronous CDMA), #UWC-136 (развитие IS-136) #DECT. Сегодня на роль единой претендуют первые две технологии

4. Стандарт GSM Структурная схема сети GSM

Нумерация в сетях GSM МСС (Mobile Country Code) MNC (Mobile Network Code) MSIN (Mobile Station Identification Number) IMSI - International Mobile Subscriber Identity

Коды DEF Вымпелком (1997): 903, 905, 906, 909, 960 – 969, 970 – 979; Мегафон (1993): 920 – 929, 930 – 939; Мобильные ТелеСистемы (1994): 910 – 919; 980 – 989.

5. Сети 3G Эволюция к UMTS

Структурная схема сети UMTS

Стандарт IMT-MC-450 – Пример сетей третьего поколения (CDMA-450) Sky Link – Российская сеть (2003) Технология – CDMA x Достоинства и недостатки Проблемы частотного спектра Россия: правительственные структуры - 22%, гражданские цели - 3%, совместное использование - 75% США: правительственные структуры - 29%, гражданские цели - 17%, совместное использование - 54%, Европа 4%, 51% и 45%

6. Поколение 4G Консорциум 3GPP утвердил стандарт LTE (Long- Term Evolution) Первые запуски LTE-сетей прогнозируются в 2010 г. Технология LTE - радиоинтерфейс OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – множественный ортогональный доступ с частотным разделением каналов). Для LTE выделено 2 полосы частот. #2Ггц # МГц Скорости ПД – 100 Мбс/50 Мбс FDD, TDD 2007 г. – Nokia

WiMAX Сети городского масштаба WiMAX – Wi-Fi

Цель WiMAX – поддержка широкополосного беспроводного доступа в сетях городского масштаба. Технология Wi-Fi обеспечивает связь в сотах диаметром до несколько сот метров, тогда, как WiMAX будет обеспечивать услуги на расстояниях несколько десятком км WiMAX и 3G Недостатки – USB-модемы и ноутбуки

Источник: Siemens 100 Скорость передачи (Mбит/с) Автомобили 2G GSM FWA Уровень мобильности Фиксированная связь Пешеходы Переносимые телефоны DECT UMTS FDD Развертывание в гг. GPRS EDGE 2,5G Bluetooth Будущие системы BRAN BWA UMTS TDD 4G и после MMAC WLAN Эволюция мобильных стандартов

Начало функционирования WWW («Всемирной Паутины») Функциональность Год лет Широкополосные аудио и видео (xDSL, КАТВ и т. д.) Узкополосные аудио и видео Картинки Графика WWW Текст Передача коротких сообщений SMS Картинки Графика HSCSD WAP Узкополосные аудио и видео (GPRS) Широкополосные аудио и видео (UMTS) 7. Особенности развития мобильных услуг

Только речь Мобильный портал Мобильный Интернет Бизнес-решения Определение местоположения Развлечения Мобильная коммерция ARPU операторов t Сеть Доступ к моб. сети Доступ в Интернет А Б В ДЕ ГЖ Источники: Siemens, Durlacher Research А –Местоположение пользователя Б - Услуги платежей В – Контент-независимые услуги Г – М-коммерция и интерактивные услуги Д – Создание контента Е – Управление контентом и публикациями Ж – Мобильный портал (размещение контента) Мобильные Приложения

Доход от мобильных данных Европейский средний доход от пользователя мобильной передачи речи и мобильной передачи данных ARPU от рекламы ARPU от моб. коммерции ARPU от событий / передачи данных ARPU от доступа / передачи речи Мобильная передача данных Мобильная передача речи / месяц Источник: Credit Suisse First Boston, Siemens Средний доход от пользователя (ARPU) мобильной передачи данных ARPU от рекламы Персонализированная На основе местоположения Активная и пассивная реклама ARPU от мобильной коммерции Комиссия (как часть транзакций мобильной эл. коммерции) ARPU от событий / передачи данных Плата за передачу данных Плата по событиям 30

Потенциал среднего дохода от пользователя мобильной связи Г 01Г 03Г 05Г 07Г 09 Год ARPU (ЕВРО/месяц) Западноевропейский ARPU (ЕВРО/месяц) От аппарата на аппарат SMS Данные (без SMS) Речь Приложения для предприятий 23% Приложения для предприятий 15% прочие услуги 14% Навигация по сети Интернет 6% Мобильные банковские услуги 14% Местная информация с использованием карты 12% Информация о движении с использованием карты 77% Индивидуальные приложения 11% Бронирование и резервирование 9% Передача мультимедийных сообщений 9% Видеотелефония/Конф. 5% Мини-газета 5% Личный органайзер Источник: Siemens 28 Мобильна я передача данных 23%

Возрастающая важность мультимедийных приложений Доходы поставщиков SMSC/MMSC [млн. ЕВРО], по всему миру Источник : UBS Warburg, 01/02 SMSC: Центр коротких сообщений MMSC: Центр мультимедийных сообщений 31

Мобильные сети в России Число действующих SIM-карт – 182 млн Уровень проникновения – 126% Вымпелком, МТС и Мегафон – 85% МТС – 65млн; Вымпелком – 48 млн; Мегафон – 44 млн Остальные игроки: Теле2 (2002), GSM поколение – Скартел (Йота) и Комстар-ОТС