Мережі 3G

Технологія 3G

Технологія 3G це (3 Generation – 3-е покоління), технології мобільного зв'язку третього покоління – набір послуг, що поєднують як високошвидкісний мобільний доступ з послугами мережі Інтернет, так і технологію радіозв'язку, що створює канал передачі даних.

Характеристика стандарту

Мобільний зв'язок третього покоління будується на основі пакетної передачі даних. Для реалізації систем третього покоління розроблені рекомендації з глобальних уніфікованих стандартів мобільного зв'язку: забезпечення якості передачі мови, порівнянного з якістю передачі в провідних мережах зв'язку; забезпечення безпеки, порівнянної з безпекою в провідних мережах; забезпечення національного і міжнародного роумінгу; підтримка декількох місцевих і міжнародних операторів; ефективне використання спектра частот; пакетна і канальна комутація; підтримка багаторівневих стільникових структур; взаємодія із системами супутникового зв'язку; поетапне нарощування швидкості передачі даних аж до 2 Мбіт/с. Незважаючи на те, що кінцева мета для всієї індустрії телекомунікацій – створити єдине всесвітнє середовище мобільного зв'язку, що підтримує широкосмугові системи і забезпечує глобальну мобільність, у результаті, швидше за все, виникне деяке сімейство стандартів, що забезпечує послуги третього покоління. Мережі третього покоління 3G працюють на частотах дециметрового діапазону близько 2 ГГц, передаючи дані зі швидкістю 2 Мбит/с. Вони дозволяють організовувати відеотелефонний зв'язок, дивитися на мобільному телефоні фільми і телепрограми і т.д. У світі співіснують два стандарти 3G: UMTS (або W-CDMA) і CDMA2000. UMTS розповсюджений в основному в Європі, CDMA2000 – в Азії і США. За даними Wireless Intelligence, на кінець листопаду 2006 р. у світі нараховувалося 364 млн абонентів 3G, з них 93,5 млн були підключені до мереж UMTS і 271,1 млн – до СDМА2000. Найбільший оператор – японський NTT DoCoMo (40 млн абонентів). Термін 3G використовується для опису сервісів мобільного зв'язку стандарту наступного (третього) покоління, що забезпечують більш високу якість звуку, а також високошвидкісний доступ в інтернет і мультимедийні сервіси. Мобільні мережі третього покоління (3G) відрізняються від мереж другого покоління (2G) набагато більшою швидкістю передачі даних, а також більш широким набором і високою якістю наданих послуг. Хоча існує багато різних інтерпретацій того, що являє собою 3G, єдиним визначенням, прийнятим універсально, є визначення, опубліковане Міжнародним Інститутом Електрозв'язку (ITU). ITU, що працює з промисловими організаціями по усім світі, визначає і затверджує технічні вимоги і стандарти, а також правила використання спектра для систем 3G у рамках програми IMT-2000 (International Mobile Telecommunications-2000). IMT-2000 – це рекомендації, розроблені Міжнародним Інститутом Електрозв'язку (ITU), що стосуються питань використання частотного спектра і технічних особливостей для всього сімейства стандартів 3-го покоління. Рекомендації описують шляхи еволюції існуючих у світі стандартів 2-го покоління в стандарти 3-го покоління. ITU вимагає, щоб мережі IMT-2000 (3G), крім інших властивостей, забезпечували поліпшену ємність системи й ефективність використання спектра для систем 2G і підтримували сервіси передачі даних зі швидкостями – мінімум 144 кбіт/с, при використанні в мобільному режимі (не в приміщеннях), і максимум 2 Мбіта/с, у не мобільних умовах (у приміщеннях). Ґрунтуючись на цих вимогах, у 1999 році ITU схвалив п'ять радіоінтерфейсів для стандартів IMT-2000, як частина рекомендацій ITU-R M.1457. CDMA2000 – це один з п'яти згаданих стандартів. Він також відомий за назвою IMT-CDMA Multi Carrier у класифікації ITU. CDMA2000 3G пропонує практично здійсненне рішення для будь-якого з існуючих на ринку стільникового або PCS оператора – а також операторів, що вже мають нову ліцензію 3G. CDMA2000 був розроблений таким чином, що будь-який беспроводный носій, поза залежністю від інтерфейсу, частоти або стандартів базової мережі, може витягти користь з його спектральної ефективності. З урахуванням специфіки існуючих у світі на сьогоднішній день мереж стільникового зв'язку, були розроблені варіанти міграції цих мереж у мережі третього покоління. У продовження опису переваг мереж третього покоління, можна затверджувати, що крім послуг інтернет-доступу і відеоконференц-звязку, клієнти 3G зможуть скористатися дистанційним доступом до корпоративної мережі. Третє покоління стільникового зв'язку в корені змінить таке поняття, як мобільна робота. Співробітник зможе виконувати свої задачі в будь-якому місці, навіть не виходячи з будинку. Важливим елементом послуг 3G стане мобільна електронна комерція, коли оплатити товари і послуги можна буде через мобільний телефон. Він тим самим перетвориться у віртуальний гаманець. Крім того, розроблювачі всерйоз розглядають можливість запуску такої послуги, як дистанційна медична діагностика. IMT-2000 забезпечує:

• високу швидкість передачі даних як усередині приміщень, так і на відкритій місцевості;

• симетричну й асиметричну передачу даних;

• підтримку канальної і пакетної комутації для забезпечення таких сервісів, як Internet Protocol (IP) і Real Time Video;

• висока якість голосу, що не уступає якості голосу при передачі по провідній лінії;

• велику компактність спектра і більш ефективне його використання;

• можливість глобального роумінгу.

Програма IMT-2000 базується на ряді ознак, що визначають принципи побудови систем 3-го покоління і їхню архітектуру. Уже на першому етапі розгортання вони повинні забезпечувати визначені значення швидкості передачі для різних ступенів мобільності абонента (тобто різних швидкостей його руху) у залежності від величини зони покриття:

• до 2,048 Мбіт/с при низькій мобільності (швидкість менш 3 км/ч) і локальній зоні покриття;

• до 144 кбіт/с при високій мобільності (до 120 км/ч) і широкій зоні покриття;

• до 64 (144) кбіт/с при глобальному покритті (супутниковий зв'язок).

Сьогодні у світі існують дві основні конкуруючі концепції 3G: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems – універсальна мобільна телекомунікаційна система), підтримувана європейськими країнами, і CDMA 2000 (Code Division Multiple Access – мультидоступ з кодовим поділом каналів), прихильниками якого традиційно є азіатські країни і США. У принципі ці дві технології припускають два різних підходи до організації мереж 3G: революційний (UMTS) і еволюційний (різновиду CDMA – CDMA2000, CDMA2000 IX, CDMA2000 IX EvDo). Еволюційний шлях має на увазі збереження частот і поступовий перехід до нових технологій, шляхом нарощування технічних потужностей оператора. UMTS – зовсім новий стандарт, у той час як різновиду CDMA, запропоновані для 3G, є розвитком вже експлуатується у світі технології другого покоління cdmaOne (IS-95). В даний час мережі 3G уже працюють в Азії, США, у той час як у Європі існує поки тільки в тестових варіантах. Найбільш вражаючих успіхів в області 3G на світовому тлі домоглася Японія. За станом на 2008 р. у Японії працюють чотири оператори, що надають послуги третього покоління, – це NTT DoCoMo, KDDI AU, SoftBank і EMobile. Використовуючи CDMA2000 і WCDMA технології, перші всесвітні комерційні 3G мережі вже обслуговують мільйони абонентів. До кінця жовтня 2002 року, KDDI підключив 3,9 мільйони абонентів CDMA2000, NTT Dосомо – 149,000 абонентів FOMA (WCDMA). Також до кінця жовтня загальна кількість абонентів у Кореї склало більш ніж 15 мільйонів абонентів CDMA2000. За даними на 16 грудня 2002 року у світі запущено 32 мережі третього покоління в 16 країнах.

Сервіси 3G працюють на існуючих мережах

Мережі мобільного зв'язку сьогоднішнього дня споконвічно призначалися і розроблялися для передачі розмов, мовного трафіка. Для того, щоб передавати великі обсяги даних досить швидко і недорого, необхідні поліпшені радіоінтерфейси, здатні забезпечувати більш високі по швидкості широкополосні з'єднання багатьом користувачам одночасно. Широкополосна радіотехнологія була оптимізована для мультимедійних сервісів і високошвидкісного доступу в Інтернет. Нова технологія також буде відрізнятися високоефективним використанням спектра, даючи можливість зробити велику частину спектра доступної до використання. Радіодоступ для мереж третього покоління буде забезпечуватися двома шляхами: упровадженням нової широкополосної радіотехнології, що дозволить використовувати доступними нові області спектра; а також еволюцією існуючої радіотехнології для забезпечення нових можливостей, у першу чергу – для збільшення швидкостей. Відповідно до рекомендацій міжнародного телекомунікаційного союзу (ITU) для стандарту IMT-2000, для сервісів наступного покоління намічені швидкості передачі даних у 2 Мбіта/с (у приміщенні) і більш. В умовах великих відкритих просторів, наприклад, на периферійних вулицях, при поїздках у потязі або в автомобілі, IMT-2000 передбачає швидкість передачі даних до 384 кбіт/с. Багатосмугові, багаторежимні телефони вже продемонстрували, яким чином інноваційний дизайн терміналів може робити частоту радіодоступа безвідносної для користувачів послуг мобільного зв'язку. Подібним же чином, телефони, що можуть працювати як з мережами другого покоління, так і з мережами третього покоління, будуть забезпечувати прозорий доступ до сервісу, наданим у різних радіомережах. 3G-сервіси можуть «вбудовуватися» відповідно до вимог ринку – наприклад, у виді «накладеної» мережі.

Який очікуваний ефект від упровадження 3G

Упровадження технологій 3G не означає просту стандартизацію нового радіоінтерфейса. Нові технології й еволюційні стратегії для поширення технологій 3G необхідні для всіх рівнів мережі. Коли розроблялися стандарти мобільного зв'язку, що функціонують у даний час, вони були застосовні, в основному, безпосередньо до конкретної мережі, і відразу до всих її функціональних блоків – один стандарт для всієї мережі. Мережа GSM використовує телефони GSM, радіозв'язок і центральні рівні мережі. Практично те ж саме можна сказати про TDMA (цифровий мобільний стандарт ANSI-136) і cdmaOne (ANSI-95, цифровий мобільний стандарт, заснований на CDMA). У випадку 3G був прийнятий інший підхід. Існує один процес стандартизації для радіомережі й іншої для магістральної базової мережі (Core Network). От чому, коли промисловість говорить про широкополосні технології радіопередачі (Radio Transmission Technologies, RTTs) – стосовно до 3G, обговорюється тільки радіокомунікаційна частина мережі. Магістральна базова мережа розробляється і стандартизуется паралельно, і в багатьох випадках буде являти собою варіант нинішніх базових мереж, що еволюціонували. Там передбачена базова мережа, що має транспортні «трубки» для інформаційних потоків, вузли, що направляють рух, і вузли, у яких розташовані сервіси. Базова мережа буде також мати з'єднання з іншими провідними і мобільними мережами, забезпечуючи взаємозв'язок із глобальними телекомунікаційними мережами. До цієї базової мережі буде приєднана мобільна радіомережа, що забезпечує широкополосний інтерфейс для користувачів.

Перспективи мережі 3G

Стратегії для міграції до функціонала 3G – відштовхуючи від нинішніх мереж GSM, cdmaOne і TDMA – передбачають розширення старих і побудова нових широкополосних радіомереж, що будуть здатні розділяти звичайну базову мережу. Історія і комерційні реалії диктують, що 3G повинна охоплювати широкий спектр радіочастот і технік, комутуючих платформ і технологій передачі. Коли стандарти будуть остаточно прийняті, у фокусі уваги виявляться скоріше сервіси і додатки, чим технології, використані для їхнього поширення.

Як будуть виглядати стандарти 3G?

Очікується ціле «сімейство стандартів» для мереж третього покоління. Ряд пропозицій для стандарту IMT-2000 3G був представлений для розгляду ITU протягом 1998 року. З цього часу промисловість і органи стандартизації скоординували свої зусилля, щоб розглянути плюси і мінуси всіх цих пропозицій для стандарту IMT-2000 і установити набір вимог. Operators Harmonization Group (OHG) – група найбільших операторів у всіх частинах світу – зіграла ключову роль у цьому процесі і зрештою схвалила набір стандартів у травні 1999 року. Це сімейство стандартів включає один стандарт, заснований на GDMA, із трьома можливими режимами: Multi-Carrier (Mc), Direct Spread (DS) і Time Division Duplex (TDD), а також один стандарт, заснований на TDMA – EDGE. Радіостандарти можуть комбінуватися з різними базовими мережевими стандартами (GSM MAP або ANSI-41) і функціонувати в різних смугах частот. Режим Multi-Carrier (Mc) також називають cdma2000 Mc; а режим Direct Spread (DS) також називають WCDMA. Стандарт UMTS покриває WCDMA, TDD і GSM/MAP. У 1992 році конференцією World Administrative Radio Conference (WARC) був призначений новий радіоспектр у 230 Мгц для наземних і супутникових сервісів. У рамках цього рішення ITU відхилив 155 МГц у 2 ГГц смузі для наземних сервісів 3G. Цей спектр був розміщений у Європі і Японії на двох 2 ГГц смугах, близьких до рекомендованих ITU, у плані виконання цих вимог.

Розміщення спектра (IMT-2000/UMTS/PCS)

• 300 Мгц 600 Мгц – NMT 450 (Nordic Mobile Telephone System), TV (Terrestrial Television) (наземна телемережа), аналогова і цифрова

• 600 Мгц – 1.5 Ггц – GSM900 (Global System for Mobile Communications), GPRS (General Packet Radio Service), CT-1 (Cordless Telephone), GPS (Global Positioning System)

• 1.5 Ггц – 3 Ггц – GSM1800 (Global System for Mobile Communications), DECT (Digital Enhanced Cordless Telephone System), 3G UMTS (Univeral Mobile Telecommunications System), WLAN (Wireless Local Area Network), Bluetooth, Microwave Oven

• 3 Ггц – 6 Ггц – Hiperlan (High Performance Local Area Network), FWA (Fixed Wireless Access)

29 січня 1998 року члени European Telecommunications Standards Institute (ETSI) дійшли згоди у відношенні стандарту мобільного зв'язку третього покоління (3G). Цей стандарт – універсальна мобільна комунікаційна система (Universal Mobile Communications System), рішення для неї називається UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access), і воно грунтується на обох пропозиціях – на W-CDMA (широкополосном Code Division Multiple Access) і TD-CDMA (Time Division Multiple Access CDMA). W-CDMA буде використовуватися для широкого спектра додатків, тоді як TD-CDMA буде використовуватися переважно для приміщень, коли не потрібне забезпечення високої мобільності. Цей стандарт, як очікується, створить нову нішу на світовому ринку і стане найбільше широко використовуваним стандартом для мереж третього покоління. У мобільній телефонії протоколи третього покоління підтримують набагато більш високі швидкості передачі даних, що вимірюються в Мбітах/с, і призначені не тільки для передачі голосу, але і для інших додатків. Досвідчені зразки мереж третього покоління стартували в Японії в 2001 році. Мережі 3G, як очікуються, стартують у Європі й у деяких країнах Азії/Тихоокеанського узбережжя протягом 2002–2003 років, і пізніше – у США. 3G буде підтримувати додатки, що вимагають істотної ширини смуги, такі як повноформатне відео, відеоконференції і повний доступ в інтернет.

3G на Україні

1 листопаду 2007 державне підприємство Укртелеком запустило мережу мобільного зв'язку 3G під брендом «Utel» (офіційний сайт). Мережа «Utel» працює в стандарті UMTS 2100 з надбудовою HSDPA (3,6G). 3G-покриття оператора охоплює всі обласні центри, великі міста і курорти України. На час будівництва мережі поза зоною покриття 3G-мережі абонентам «Utel» забезпечується національний роумінг у мережі GSM «Українських радіосистем» («Beeline»). При цьому вартість голосових викликів і sms-повідомлень залишається такою ж, що й у зоні дії 3G-мережі.

Еволюція мереж 3G

В даний час у комерційній експлуатації знаходиться 82 комерційні мережі стандарту WCDMA у 37 країнах. Усього у світі на сьогоднішній день видано 146 ліцензій на надання послуг зв'язку стандарту WCDMA, при цьому більш 60 % із загального числа власників ліцензій уже почали надавати послуги стільникового зв'язку третього покоління або готуються до запуску мереж найближчим часом. Зараз на світовому ринку представлено 186 моделей телефонів, що підтримують стандарт WCDMA/HSPA, від 26 виробників. Тільки за останні 6 місяців було випущено більш 70 нових моделей WCDMA-телефонів. На сьогоднішній день абонентська база GSM-мереж перевищує 1,546 млрд людину. Стандарт GSM займає 76,8 % ринку стільникового зв'язку і забезпечує більш 88 % приросту абонентів стільникового зв'язку, щодня абонентами GSM-мереж стає більш 1 млн чоловік. У світі нараховується 670 комерційних мереж стандарту GSM у 200 країнах. 116 комерційних мереж стільникового зв'язку в 70 країнах підтримують технологію EDGE. Кількість моделей стільникових телефонів стандарту GSM на світовому ринку 1700, при цьому 143 GSM-телефону підтримують технологію EDGE. 55 мобільних операторів розгортають мережі з підтримкою двох технологій EDGE і WCDMA.

3G:UMTS

Головна вимога до мереж третього покоління, висунута Міжнародним Телекомунікаційним Союзом (ITU), звучить просто: вони повинні забезпечувати відеозв'язок з мінімальним дозволом 320х240 (тобто QVGA). Для цього мережа повинна підтримувати пропускну здатність не менш чим у 384 Кбіт/с. Підтримка відеозв'язку вимагає, щоб мережа надала абонентові гарантовану якість сервісу – тобто, починаючи сеанс відеозв'язку, абонент повинен бути упевнений, що зв'язок буде надійним, що йому не прийдеться слухати відрізки фраз свого співрозмовника і дивитися на зображення, що смикається. UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) – це стандарт стільникового зв'язку третього покоління, що заснований на удосконаленій GSM-мережі з застосуванням радіоінтерфейсу WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). WCDMA дозволяє передавати дані зі швидкістю до 2,4 Мбіт/с на невеликих відстанях і забезпечує до 384 Мбіт/с (що відповідає мінімальним вимогам до 3G-мережам) на великій відстані від базової станції, у тому числі – якщо абонент знаходиться в русі.

Антени

При розробці антен наступного покоління для мереж 3g їх творці, наприклад, компанії Kathrein (Німеччина), LGP Allgon (Щвеция) і ін., враховували повною мірою рекомендації AISG (Antenna Interface Standard Group) - міжнародній організації, створеній компаніями-виробниками антен для розробки відкритих стандартів в області антенних технологій. Зокрема, системи управління і потужності антен RET задовольняють вимогам стандарту Aisg1. Цей стандарт використовує 3 рівні з 7-і рівневої моделі інтерфейсів відкритих систем (OSI), а саме, рівні 1, 2, 7.

• Рівень 1 (фізичний рівень) визначає електричні характеристики передаваного сигналу. У стандарті Aisg1, антени цього рівня можуть використовувати як середовище передачі дві системи (обидві допускають швидкість передачі даних в 9.6 кбіт/сек, з опціями 38.4 і 115.2 кбіт/сек):

- заземлений 3-проводний кабель із збалансованим інтерфейсом передачі даних Rs485, з живленням +12, +24 У або, як опція -48 У

- коаксіальний кабель (фідер), використовуваний антенами Aisg1 при роботі в діапазоні частот 4.5 або 9 Мгц.

• Рівень 2 (рівень передачі даних) визначає доступ до фізичного рівня (доступ до даних і до середовища передачі даних), тобто, практично, мінімальний набір вимог протоколу асинхронної передачі даних (HDSL - High Level Data Link Control protocol).

• Рівень 7 (application layer - рівень додатків) визначає вимоги до протоколу кінцевого користувача і додаткам. Він же описує формат навантаження і необхідний набір команд. Типовими командами цього рівня є команди ініціації системи/пристрою, установки початкових параметрів, калібрування, вхідного контролю, підключення пристроїв управління і моніторингу.