МОДУЛЬ 4 – ЖЫЛЖЫМАЛЫ БАЙЛАНЫС ЖЕЛІЛЕРІ

10 ДӘРІС

ҰЯЛЫ БАЙЛАНЫС ЖЕЛІЛЕРІНІҢ ҰРПАҚТАРЫ

Мазмұны:

1. Ұялы байланыс желілерінің төрт ұрпағы.

2.

3.

Бірінші ұрпақ 1G

Ұялы байланыс расымен де өткен ғасырдың 70-ші жылдарының аяғында басталды. 1978 жылғы Чикагодағы AMPS (Advanced Mobile Phone Service) жүйесін 800 МГц ауқымында тәжірибелі пайдаланылған нәтижелер белгілі. Алайда Құрама Штаттардағы бірінші AMPS ғарыштық жүйесінің жіберілуіне бірнеше жыл қажет болды, ал Чикагоның өзінде ол 1983 жылы іске асырылды. Көп кешікпей-ақ АҚШ басқа ірі қалаларында да осы этаптағы AMPS стандартының аналогты жүйелері дәл осылай қолданыла бастады.

Осы екі жағдайдың арасында, ұялы байланыстың коммерциялық жүйесі 1979 жылы Токиода жіберілді. Европалықтар өз жолдарымен кетті, Швецияда да, Норвегияда да, Дания мен Финляндияда да 1981 жылы 450 МГц ауқымында жұмыс істейтін бірінші европалық NMT-450 (Nordic Mobile Telephone System) жүйесі құрылды. Ұлыбритания 1985 жылы AMPS жүйесінің модифицияланған болжамы болып табылатын TACS (Total Access Communications System) деп аталатын, 900 МГц ауқымында жұмыс істейтін басқа технологияны ендірді.

TACS стандартындағы мобильді байланысты ең алдымен ВТ, Cellnet және Vodafone мобильді байланыс операторлар ұсынған болатын.

Келтірілген мысалдарға көптеген басқа елдер ере бастады, содан кейін көп ұзамай-ақ мобильді байланыс қызметтері бүкіл жер шарына таралды. 1980 жылдардың басында-ақ ұялы байланыстың бірінші ұрпағы 1G қолданысқа ену үшін, бастапқы мына тұжырымдамаларды іске асыруға мүмкіндік берді: ұяларда жиіліктерді қайта қолдану, кез-келген ұяда олардың орналасқан орнын анықтай алатын терминалдардың мобильділігі, бір ұядан екінші ұяға орын ауыстыру кезіндегі байланыстың үздіксіз болуы – бұл құбылыс хэндовер деп аталады. Яғни 1G жүйесінде сымсыз байланыстың ең маңызды мәселелерінің бірін – орнатылған байланысты бір радиостанциядан екіншісіне байланыстың шығынынсыз жалғауды шеше алды.

Тағы да бір мәселе жиілікті қайта пайдалану қолдану арқылы шешілді, бұл бір географикалық қызмет көрсету аймағында айтарлықтай үлкен трафик көлеміне қызмет көрсетуге мүмкіндік береді. Нақтылы кіріспей-ақ, 1G жүйелерінің екі шешуші стандарттың біреуіне кіретінін атап кетуге болады – скандинавиялық NMT және американдық AMPS.

Бірақ алдымен осы жүйелерге тән кемшіліктерді айта кету дұрыс болар. Мәселе сөйлесулерді тындай алу мүмкіндігі, мобильді терминалдардың клондарын дайындау мүмкіндігі, тиімсіз қолдану себебінен жиілік ауқымының шамадан артық бос болмауы. Сонымен қатар, аналогты жүйелерге тән, қалалық құрылыстардың қарқынды салыну шарттарында радиотолқындардың таралуы тоқтап қалуы мүмкін, ол көпсәулелі радиотолқынның таралуынан туындайды, және де сөздердің берілу сапасының төмендеуіне әкеліп соғады.

Сонда да болса, 1G жүйесінің өзіне артқан үмітті ақтай алмағанын айтпай кетуге болмайды, бұл жүйенің бүгінгі күндегі байланысты тарату жүйелеріндегі ролін бағалау өте қиын.

NMT-450 стандарты.

Аты айтып тұрғандай, бұл FDMA технологиясының стандарты скандинавиялық елдермен (Даниямен, Нор­вегиямен, Швециямен және Финляндиямен) бірігіп 450 МГц ауқымы үшін жасалған, ал бұл ауқыммен қаныққаннан кейін, NMT-900 деген атқа ие болып, 900 МГц ауқымы үшін де өңделіп жасалды. NMT желілік архитектурасының құрамына МТХ (Mobile Telephone Exchange) жылжымалы байланыс коммутациясының орталықтары, базалық станциялар BS мен абоненттік терминалдар кіреді. МТХ коммутациялау орталықтары жалпы қолданыстағы телефон желілерімен түйістіруді жергілікті, аймақтық және қалааралық деңгейде қамтамасыз етеді. Базалық станциялар жүйенің белгілі бөлігі мен мобильді терминалдар арасындағы интерфейсті қамтамасыз етеді және де МТХ станцияларымен сымды немесе радиорелелі жалғаушы желілер арқылы байланысады.

AMPS жүйесі.

FDMA технологиясының жетілдірілген мобильді телефонды байланыс жүйесі AMPS (Advanced Mobile Phone System), XX ғасырдың 70-жылдары атақты Белл зертханасында ойлап табылған, ең бірінші рет 1982-1983 жылдары Чикагода, АҚШ-та өрісін жая бастады, содан кейін бүкіл Солтүстік және Оңтүстік Америкада және Австралида кеңінен ене бастады. Дәл осы жүйеден бастап «КарТел» операторлық компаниясының (БиЛайн сауда маркасы) да алдымен Ресейде, содан кейін Казақтанда тарихы басталды.

Сонымен қатар, Германияда, Австрияда, Оңтүстік Африкада және Португалияда қолданысқа енген C-Netz жүйесі де пайда болды. Бұл жүйенің кейбір негізгі сипаттамалары 2G ұрпағына жататын, оның цифрлы ізбасары D-AMPS жүйесінен алынған.

1G жүйелері шамамен бір технологиялық деңгейде құрылған; 1G жүйесіне сәйкес келетін AMPS жүйесінің ұяшық көлемі әдетте 10 км ден 20 км дейін болады, бұл дегеніміз 2G ұрпағының цифрлы жүйелеріндегі ұяшық көлемінен әлдеқайда үлкен. Әрбір ұяшық өз жиілігінде жұмыс істейді, ол көршілес жиіліктерді кесіп өтпейді, ал әр түрлі ұяшықтарда (бірау көршілес емес) бірдей жиіліктерді пайдалану, жиіліктік ресурсты анағұрлым жаксы пайдалануға мүмкіндік береді. Әрбір ұяшықта өзінің әрекет ету аймағында орналасқан, барлық мобильді телефондарға қызмет көрсететін өзінің базалық станциясы BS болады.

Базалық станция басқарушы құрылғыдан және антеннамен жалғанған қабылдап/таратқыштан тұрады. Біршама үлкен көлемдегі ұяшықтар таратқыштар үшін талап етілетін аз қуатты білдіреді. Базалық станциялар бір немесе бірнеше MSC (Mobile Switching Center), кейде сондай-ақ MTSO {Mobile Telephone Switching Office) деп аталатын коммутация орталықтарымен жалғанған.

Екінші ұрпақ 2G жүйелері

Бірінші ұрпақтың аналогты жүйелерінен айырмашылығы екінші ұрпақ цифрлы болып табылады. Цифрлы технологияны пайдалану көптеген артықшылықтарға ие, соның ішіне желі сыйымдылығының ұлғаюы, ең жақсы қорғаныс және жаңа қызмет түрлері кіреді. Бірінші ұрпақ жүйелеріне ұқсастырылып, екінші ұрпақ технологияларының әр түрлі типтері өңделіп жасалды. Екінші ұрпақ технологияларының ең сәтті үш вариантына GSM, D-AMPS, CDMA технологиялары жатады.

FDMA технологиясының толық цифрлы D-AMPS жүйесі халықаралық IS-136 және оның ізбасары IS-54 стандартарымен сипатталады. Ол AMPS жүйесімен сәтті қатар жүру үшін, арнайы дайындалған. D-AMPS жүйесі дәл AMPS секілді бір ауқымдағы 30 кГц арналдарды қолданады. D-AMPS жүйесі Ресей мен АҚШ-та кеңінен таралған, ал біраз өзгерген формада Жапонияда қолданысқа енді. Іс жүзінде барлық басқа әлем GSM және CDMA жүйелерін пайдаланады.

CDMA стандарты.

Екі стандарттар түрі – D-AMPS және GSM - спектрлерді арналарға бөлуге және арналарды интервалдарға бөлуге арналған уақыттық және жиіліктік тығыздауларды қолданатын дәстүрлі жүйелер. CDMA (Code Division Multiple Access) жүйесі мүлде басқаша құрылған, оның принциптері сымсыз байланыстың дағдылы заңдылықтарын толығымен ауыстырды.

Бұл принциптер, олардың Qualcomm компаниясы ойлап тапқан белсенділіктің арқасында, CDMA стандартын 2G ұрпақтың мобильді байланыс жүйесі ретінде кеңінен таралуына себеп болды. АҚШ-та оны ең ірі Sprint (конкурирующая с работающей на D-AMPS жүйесінде жұмыс істейтін AT&T Wireless компаниясымен бәсекелес) операторлық компаниясы, ал Ресейде - СкайЛинк операторлық компаниясы қолдап отырады.

Бұл жүйе бүгінгі таңда оның стандартын сипаттайтын IS-95, сондай-ақ cdmaOne деген атпен белгілі. NMT, AMPS, D-AMPS және GSM айырмашылы, қол жетімді жиілік ауқымын жүздеген жіңішке арналарға бөлудің орнына, CDMA стандартында әрбір терминал сигнал беру кезінде барлық жағдайда бүкіл бөлектенген жиілік спектрлерінің барлығымен қолдана алады.

Бір уақыттағы көптік қол жеткізу принципі кодалау теориясын қолдану арқылы қамтамасыз етіледі. CDMA стандарты ретінде аэропорттын күту залын қарастырайық. Көптеген жұптар қызу сөйлесуде. Уақыттық тығыздауды мына жағдаймен салыстыруға болады, барлық адамдар зал орталығында жүреді де, кезектесе отырып сөйлеседі. Жиіліктік тығыздауды мына жағдаймен салыстырамыз, адамдар залдың әрбір шетінде жүреді де, бір уақытта, бірақ бір-бірінен тәуелсіз өздері сөйлесе береді, олардың сөздері барлығына естіліп тұрады.

CDMA стандарты үшін бірінші жағдай дұрыс келеді, яғни барлвқ адамдар зал орталығында, алайда әрбір әңгімелесуші жұп өз-өздерімен бір тілде сөйлесіп жатады. Қазақша сөйлейтіндер өз сұрақтарын талқылайды, ал басқа тілдегі сөйлесулерді шуыл ретінде қабылдайды. Дәл осындай тәсіл, яғни пайдалы сигналды бөлектеп, ал қалғандарының барлығын елемей тастау, CDMA стандартының шешуші идеясы болып табылады.

Осы идеяларға кеңінен тоқтала кетейік. CDMA стандартында әрбір интервал т қысқа периодқа бөлінеді, олар элементарлы сигналдар немесе чиптер (chips) деп аталады. Ереже бойынша, интервалға 64 немесе 128 чиптер сыяды. Әрбір мобильді терминалға бірегей m-биталы кода сәйкес келеді, олар элементарлы тізбектелу деп аталады. 1 битаны беру үшін, терминал өзінің элементарлы тізбектелуін жібереді. 0 мәнді битаны бері үшін, элементарлы тізбектелудің орнына, оның қосымшасын (тізбектелудегі барлық бірліктер нөлгн, ал барлық нөлднр – бірге ауыстырылады) жібереді. Басқа ешқандай комбинацияны жеберуге рұқсат етілмейді. Осылайша, егер m=8 болса, мобильді терминалға 8-биталы элементарлы тізбектелу 00011011 беріледі, онда «1» мәнді бита 00011011 кодасымен беріледі (ол элементарлы тізбектеліге сәйкес келеді), АЛ «0» мәнді бита 11100100 кодасымен беріледі (элементарлы тізбектелуге қосымша). Бұндай жағдайда, ақпараттарды тарату жылдамдығы v бит/с болу үшін, mv чиптерді немесе секундына элементарлы сигналдарды жіберу қажет болады.

2,5G жүйесі.

Екінші ұрпақ жүйесінің әр түрлілігіне қарамастан, бұл жерде техникалық даму тоқтатылған жоқ. Іс жүзінде іле-шала басқа жүйелер пайда бола бастады, олар 2,5G деген атқа ие болды, алайда олардың кейбіреулерін аналитиктер нақты 2,1 G деп, ал басқаларын - 2,75G деп есептейді.

2,5G жүйесінде GSM технологиясының нақты дәстүрлерін сақтай отырып, биталар санының 1 Гц көбеюі себебінен мәліметтерді тарату жылдамдығының жоғарылауына байланысты EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) жүйесі, сондай-ақ кең қолданысқа ие болған 2,5G басқа жүйесі жұмыс істейді. Ол дестелі радиобайланыстың жалпы қызмет көрсетуімен GPRS (General Packet Radio Service) деп аталады, базада GSM секілді де, сондай-ақ D-AMPS секілді де құрыла алады, ұялы байланыстың сөз тарату арналары арқылы ІР-дестелерімен алмасуға мүмкіндік береді, осы себептен белгілі уақыттық интервалдар белгілі жиіліктерде дестелі график түрінде сақталып тұрады.

GPRS жүйесі қолданыстағы 2G ұялы байланыс жүйесінің күйге келтірушісі ретінде жұмыс істейді, және де оны қатарға 3G ұрпағы енген кезде пайдасыз болып қалатын, уақыттық шешім деп қарастыруға болады.

Үшінші ұрпақтың 3G мобильді байланысы

3G ұрпағының жұмыстары айтарлықтай ерте басталды: 1992 жылы Халықаралық электр байланыс одағы үшінші ұрпақ 3G жүйесін мамандандыратын бірінші ұмтылысты қабылдады, және де ол IMT-2000 (International Mobile Telecommunications) атауымен жоба енгізілді. Бұл жердегі 2000 бірден үш аспектіні сипаттады:

- біріншіден, ол осы жоба пайдаланымға барілетін жоспардың жылын көрсетті;

- екіншіден, дәл осы жиілік ауқымында (мегагерц) жүйе жұмыс істеу керек болатын;

- үшіншіден, радиоинтерфейсте осындай тарату жылдамдығын кбит/с қамтамасыз ету болжамдалған. Бірақ осы үш аспектінің біреуінде іске асыру мүмкін болмады.

Сонымен қатар, әрбір мобильді абонентке 2 Мбит/с жылдамдықтағы тұрақты өткізу қабілеттілігін бөлектеп беру іс жүзінде мүмкін болмайтындығы анықталды. Бұл жерде мынадай саралау тәсілі дұрыс ұсыныс болып табылды: үйде немесе офисте отырған әрбір абонентке 2 Мбит/с, шектелген жылдамдықтағы қыдырып жүрген абонентке – 384 Кбит/с, автомобильде кетіп бара жатқан абонентке – 14 Кбит/с жылдамдықтағы өткізу қабілеттілігін қамтамасыз ету. IMT-2000 желісінің ойластырырып қойған келесі негізгі қызметтері қарастырылды: сөздерді жоғарғы сапамен беру, Интертенке қол жеткізу, хабарлармен алмасу (e-mail, факс, SMS, чат), яедеоконференциялар, электронды ойындар, мобильді коммерциялар (сатып алуларды төлеу үшін мобильді телефонды пайдалану), мультимедия (музыка, видео, фильмдер, телевидение).

IMT-2000 жобасы бірегей технология ретінде ойластырылған болатын; дәл осындай шешімде ITU қызығушылық білдірген ұйымдардан техникалық ұсыныстар сұрады, содан кейін радиоинтерфейстің көрсетілген көптеген техникалық ұсыныстарынан ең жақсыларын таңдап алып отырды.

1999 жылы ITU-T жер бетіндегі ұялы байланыс үшін бес технологияны (спутниктік базада емес) таңдап алды: Wideband CDMA (W-CDMA), CDMA2000 (IS-95 CDMA дамуы), TD-SCDMA (time division-synchronous CDMA), UWC-136 (IS-136 дамуы) және DECT. Бүгінгі күнде бірыңғай рөлге алдыңғы екі технология үміттеніп отыр.

10.1 суретінде IMT-2000 спецификасының топтарын құрайтын, әр түрлі платформалар арасындағы байланыс көрсетілген.

Суретте бірнеше бәсекелес радиоқолжеткізу платформалары болған кездегі 3G жүйесінің мәндес қиындықтарының анықталуы көрсетілген. Бұл қиындықтар 4G ұрпағында немесе одан кейін де толық бірыңғайлыққа жетеді деп үміттенеміз. Олардың біреуі W-CDMA (Wideband CDMA) деп аталытн, Ericsson фирмасымен ұсынылған болатын. Ол тура тізбектелу кодасын және 5 МГц өткізу жолағын қолдана отырып, спектрдің кеңеюін пайдаланады. Бұл жүйе GSM стандартындағы желілердің желіаралық ауысуы бойынша сәйкес келеді, яғни мобильді абоненттің W-CDMA ұяшығынан GSM ұяшығына кіру кезінде байланысты үзбей, сөйлесе беруіне мүмкіндік береді. Бұл жүйе Европалық одақтың жан-жақты мобильді байланыс жүйесі UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) деген атауымен дамып келеді.

10.1 сурет. - IMT-2000 жүйесіне жобаланған эволюция

Басқа CDMA2000 жүйесі Qualcomm компаниясымен ұсынылған, ол да тура тізбектелу кодасын және 5 МГц өткізу жолағын қолдана отырып, спектрдің кеңеюін пайдаланады, бірақта GSM стандартымен желіаралық қатынасты қолдамайды, яғни мобильді абоненттің GSM ұяшығынан W-CDMA ұяшығына ауысуы қамтамасыз етілмейді.

CDMA2000 мен W-CDMA арасындағы техникалық айырмашылыққа элементарлы жіберулердің басқа жүру жылдамдығын, спектр мен синхрондау әдістерін пайдаланатын басқа кадрлы интервалды айта кеткен жөн. Және де бұл айырмашылықтар негізі болып табылмайды. Егер де Ericsson және Qualcomm компанияларындағы инженерлердің бірге жұмыс істеуін қамтамасыз етіп, оларға бірыңғай жүйені өндіріп шығару керек деген тапсырма қоятын болса, олар ешбір күмәнсіз бұл тапсырманы игеріп шығатын еді. Ақыр соңында, екі жүйенің де базалық принциптері – бұл арнада 5 МГц жолағындағы CDMA жүйесі.

Бұл жағдайда жағдайда, Европада GSM мен жұмыс істей алатын; АҚШ-та сол жерде кең қолданыс тапқандардың бірі IS-95 жүйесімен бірлесе жұмыс істей алатын жүйе талап етілді. Әр жақ өз компанияларын қолдап отырды, Ericsson Швецияда болса, Qualcomm – АҚШ-та болды. Нәтижесінде Ericsson Qualcomm компаниясымен өңдеуді қолға алуға келісті. Екі компанияда бірыңғай 3G стандартына келісті.

Төртінші ұрпақтың 4G мобильді байланысы

3G желісінің әлі күнге дейін толық көлемде іске асырылмағанына қарамастан, көптеген зерттеушілер оның пайда болуын іске асырылған факт ретінде қарап, қазіргі уақытта төртінші ұрпақ жүйесін жетілдіру үстінде жұмыс жасауда. Төртінші ұрпақ аса жоғары өткізу жылдамдығымен, сымды ІР-желілерімен толық айналымға түсімен, жиілікті спектрлік басқаруға бейімделуімен және де мультимедиялық трафиктің жоғарғы сапада қызмет көрсетуімен сипатталатын болады. Бұл зерттеулер 802.11 стандартындағы сымсыз желілі-есептеу желілеріне қол жеткізу нүктелерінің және де Wi-Fi хот-споттары мен WiMAX аймақтарының және т.с.с. көптеген сандарының бүгінгі күнде жаппай орнатылуымен ынталандырылады.