Информационные и управляющие системы. Радиоэлектронные системы управления

1.

Факультет И
Кафедра И4
Информационные
и управляющие системы
Радиоэлектронные
системы управления
Электродинамика и распространение радиоволн
Лекция *
Стандарты беспроводной передачи
данных для мобильных телефонов
Автор: ст. преподаватель кафедры И4 Крылова М.А.
1

2.

Мобильная связь
Мобильная связь — это радиосвязь между абонентами,
местоположение одного или нескольких из которых
меняется. Одним из видов мобильной связи является
сотовая связь.
Сеть составляют разнесённые в пространстве
приёмопередатчики, работающие в одном и том же
частотном диапазоне, и коммутирующее оборудование,
позволяющее определять текущее местоположение
подвижных абонентов и обеспечивать непрерывность связи
при перемещении абонента из зоны действия одного
приёмопередатчика в зону действия другого.
2

3.

1G (Первое поколение)
Появилась технология 1G начале 1980-ых. Она работала на аналоговом принципе передачи данных и
разрабатывалась в основном для голосовых вызовов.
Технические характеристики:
Частота: 800-900 МГц
Метод доступа: Частотное разделение каналов (FDMA)
Ширина канала: 10-30 кГц
Максимальная скорость: 2.4 кбит/с
Дальность связи: До 30 км
3

4.

Основные стандарты 1G
Основные стандарты:
AMPS: Использовался в США, Канаде, Австралии, Южной Америке
NMT: Использовался в Скандинавских странах
AMPS
NMT
Принцип построения
Сотовая связь
Сотовая связь
Множественный доступ
FDMA
FDMA
Прием
869 – 894 МГц
463 – 467 МГц
Передача
824 – 849 МГц
453 – 457 МГц
30 кГц
25 кГц
Частоты
Ширина частотного канала
4

5.

Метод множественного доступа
Для передачи информации различных каналов
используются различные участки спектра частот —
применяется метод множественного доступа с
частотным разделением каналов (Frequency
Division Multiple Access — FDMA). Для каждого
абонента на время сеанса выделяется отдельный
частотный канал с полосами каналов в различных
стандартах от 10 до 30 кГц
5

6.

Недостатки 1G
Отсутствие шифрования,
подверженность
прослушиванию
Неэффективные методы
борьбы с замираниями
при перемещении
Низкая эффективность
использования
выделенного спектра
частот
6

7.

2G (Второе поколение)
Сотовая связь второго поколения (2G) представляет собой эволюцию мобильных технологий, которая
изменила способы передачи информации и взаимодействия пользователей. Основным
нововведением в 2G по сравнению с первым поколением (1G) стало использование цифрового
способа передачи данных, что открыло новые возможности для пользователей и операторов связи.
Технические характеристики
Частоты
2G
Прием: 890 – 915 МГц
Передача: 935 – 960 МГц
1G
800 – 900 МГц
Метод доступа
TDMA
FDMA
Ширина канала
200 кГц
10 – 30 кГц
Максимальная скорость
171 кбит/с (GPRS), 474 кбит/с
2,4 кбит/с
(EDGE)
Дальность связи
До 35 км
До 30 км
7

8.

Основной стандарт 2G
GSM(Global System for Mobile Communications) стал первым стандартом цифровой мобильной связи,
предоставляющим пользователям улучшенные качества звука, высокую емкость сети и глобальный
роуминг. Благодаря этому, GSM быстро стал самым популярным стандартом мобильной связи в мире.
Принцип построения: Сотовая связь
Множественный доступ: TDMA
Частоты:
Прием: 890 – 915 МГц
Передача: 935 – 960 МГц
Ширина частотного канала: 200 кГц
8

9.

Преимущества 2G над 1G
Переход от аналоговых к цифровым системам (к стандарту GSM) позволил 2G предложить множество
преимуществ по сравнению с 1G:
Шифрование передаваемых
данных
Появление новой услуги – передача
данных
Увеличенная ёмкость
сети
9

10.

Метод временного разделения каналов
Вместе с разделением по частоте (FDMA), в GSM
применяется метод разделения по времени — TDMA.
Согласно TDMA, весь поток данных поочередно
предоставляется восьми абонентам на короткий
промежуток времени, равный нескольким
миллисекундам.
10

11.

Эволюция 2G – 2.5G
2.5G представляет собой промежуточный шаг
между 2G и 3G, обеспечивающий улучшенные
возможности передачи данных.
GPRS (General Packet Radio Service) позволяет
пользователям обмениваться данными в сети
GSM с внешними сетями, в том числе
интернетом. Коммутация пакетов позволяет
более эффективно использовать сетевые
ресурсы, так как данные передаются в виде
небольших пакетов, что увеличивает скорость
(до 171.2 Кбит/с) и уменьшает задержку.
Коммутация пакетов
11

12.

Эволюция 2G – 2.75G
2.75G, или EDGE (Enhanced Data rates for GSM
Evolution), представляет собой еще одно
улучшение технологии 2G, обеспечивающее еще
более высокие скорости передачи данных (до 474
Кбит/с).
EDGE обеспечивает повышенные скорости
передачи данных благодаря использованию
модуляции 8PSK (8 Phase Shift Keying), что
позволяет передавать больше информации на
одном и том же канале. Улучшенные схемы
кодирования также способствуют увеличению
пропускной способности и надежности передачи
данных.
Модуляция 8PSK
12

13.

3G
Третье поколение мобильной связи (3G) стало значительным шагом вперед в эволюции мобильных
технологий, предложив высокоскоростную передачу данных и мультимедийные услуги. В отличие от
второго поколения (2G), использующего TDMA, 3G перешло на метод множественного доступа с
кодовым разделением каналов (CDMA).
Технические характеристики
3G
2G
Частоты
Прием: 1920 – 1980 МГц
Передача: 2110 – 2170
МГц
900/1800/1900 МГц
Метод доступа
CDMA
TDMA
Ширина канала
5 МГц
200 кГц
Максимальная скорость
2 Мбит/с
171 кбит/с (GPRS), 474 кбит/с
(EDGE)
Дальность связи
До 50 км
До 35 км
13

14.

Основной стандарт 3G
UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)
является основным стандартом 3G,
обеспечивающим глобальный роуминг и высокие
скорости передачи данных. Эта технология стала
основой для предоставления современных
мобильных услуг, таких как видеозвонки и
мобильный интернет. Введение 16-QAM (16кратная квадратурная амплитудная модуляция) в
3G-сетях значительно увеличило пропускную
способность и скорость передачи данных. Этот
метод модуляции позволяет передавать больше
информации за один символ, что улучшает общую
эффективность передачи данных.
Модуляция 16-QAM
14

15.

Преимущества 3G
Увеличение скорости
загрузки
Улучшена защита связи
во время движения
Высокая устойчивость к
помехам
15

16.

Технология CDMA
В 3G-сетях применяется метод
множественного доступа с кодовым
разделением каналов (CDMA). Этот метод
позволяет множеству пользователей
одновременно передавать данные на одной
и той же частоте, используя уникальные
кодовые последовательности для разделения
сигналов.
16

17.

Эволюция 3G – 3.5G
Постепенное развитие технологий привело к
появлению промежуточных поколений:
HSPA (High Speed Packet Access):
Обеспечивает высокие скорости передачи
данных и улучшает качество связи.
Поддерживает скорости передачи данных
до 14.4 Мбит/с на прием (downlink) и до 5.76
Мбит/с на передачу (uplink).
Увеличение скорости
передачи и отдачи
17

18.

Эволюция 3G – 3.75G
Эволюция 3G продолжилась с HSPA+ (High Speed Packet
Access Plus), который еще больше увеличил скорости
передачи данных и улучшил качество связи. Благодаря
использованию модуляции 64-QAM, пропускная
способность сетей значительно увеличилась, что
позволило добиться следующих характеристик:
Максимальная скорость загрузки: До 42 Мбит/с
Максимальная скорость отдачи: До 22 Мбит/с
Использование модуляции 64-QAM позволило
передавать больше данных за одну единицу времени,
что существенно повысило эффективность передачи
данных и улучшило качество мобильного интернета.
Модуляция 64-QAM
18

19.

4G
Сотовая связь четвертого поколения (4G) представляет собой значительный прогресс в области
мобильных технологий. Основное нововведение 4G по сравнению с 3G - это еще большее увеличение
скорости передачи данных и улучшение качества услуг, предоставляемых пользователям.
Технические характеристики
4G
3G
Частоты
Прием: 791 – 821 МГц
Передача: 832 – 862 МГц
1900 – 2100 МГц
Метод доступа
OFDMA
CDMA
Ширина канала
1,4 – 20 МГц
5 МГц
Максимальная скорость
100 Мбит/с (мобильные), 1 Гбит/с
2 Мбит/с
(стационарные)
Дальность связи
До 100 км
До 50 км
19

20.

Основной стандарт 4G
LTE (Long Term Evolution) является основным стандартом 4G,
предоставляющим высокоскоростной мобильный интернет
и улучшенные голосовые услуги. LTE обеспечивает
значительное увеличение скорости передачи данных и
уменьшение задержки по сравнению с 3G.
Архитектура сети LTE значительно отличается от
предыдущих поколений благодаря включению новых
элементов, таких как шлюз обслуживания, шлюз
управления пакетами и блок управления мобильностью.
Эти компоненты объединяют в себе функции, которые
ранее выполнялись несколькими устройствами, что
упрощает управление сетью и улучшает ее эффективность.
Архитектура сети LTE
20

21.

Преимущества 4G
Сокращение задержек при
передаче пакетов данных
Обеспечение услугами
передачи данных при
передвижении со скоростью
боле 350 км/ч
Повышение эффективности
использования радиочастот
21

22.

Технология OFDMA
В 4G-сетях применяется метод множественного
доступа с ортогональным частотным разделением
каналов (OFDMA). Этот метод позволяет эффективно
использовать широкий спектр частот, обеспечивая
высокую пропускную способность и устойчивость к
помехам. Поток данных передается на множестве
параллельных потоков, каждый из которых
передается на своей несущей частоте. Количество
несущих частот зависит от ширины канала.
22

23.

Эволюция 4G – 4.5G
Постепенное развитие 4G технологий привело к появлению LTEAdvanced (Long Term Evolution Advanced), который еще больше
увеличил скорости передачи данных и улучшил качество связи.
LTE-Advanced использует усовершенствованную модуляцию 256QAM, что позволяет передавать больше данных за один символ,
значительно увеличивая пропускную способность сети.
Максимальная скорость загрузки: До 3 Гбит/с
Максимальная скорость отдачи: До 1.5 Гбит/с
Модуляция 256-QAM
23

24.

5G – Пятое поколение
Сотовая связь пятого поколения (5G) представляет собой следующую эволюцию мобильных
технологий, предлагая более высокую скорость передачи данных, низкую задержку и поддержку
большего числа подключенных устройств. Основной целью 5G является улучшение сетевой
инфраструктуры и обеспечение качественной связи для различных сфер, например, беспилотные
автомобили и виртуальную реальность.
Технические характеристики
5G
4G
Частоты
600 – 6000 МГц, 24 – 86 ГГц
700 - 2600 МГц
(mmWave)
Метод доступа
OFDMA
OFDMA
Ширина канала
До 100 МГц (под 6 ГГц), до 400
1,4 – 20 МГц
МГц (mmWave)
Максимальная скорость
До 10 – 20 Гбит/с
100 Мбит/с (мобильные), 1
Гбит/с (стационарные)
Дальность связи
До 1 км (mmWave), до 10 км
(нижний диапазон)
До 100 км
24

25.

5G
Технология mmWave (миллиметровые волны) позволяет
использовать высокочастотный спектр (24-86 ГГц) для
передачи данных на короткие расстояния с высокой
скоростью. mmWave обеспечивает чрезвычайно высокую
пропускную способность и используется для создания точек
доступа с высокой плотностью в городских зонах.
Высокая пропускная способность: mmWave позволяет
достигать скорости передачи данных до 20 Гбит/с.
Маленькие ячейки: Базовые станции mmWave покрывают
небольшие зоны, обеспечивая высокую плотность покрытия.
25

26.

Преимущества 5G
Высокие скорости передачи
данных
Низкая задержка
Массовая поддержка устройств
26

27.

Технология Massive MIMO
5G использует методы множественного доступа Massive
MIMO для эффективного использования спектра и
повышения пропускной способности сети. Massive MIMO
позволяет одновременно обслуживать множество
пользователей, используя массивы антенн.
Использует большое количество антенн на базовой
станции для увеличения пропускной способности и
улучшения качества связи. Это достигается за счет
формирования лучей, которые направляют сигналы
непосредственно к пользователям, уменьшая
интерференцию и увеличивая емкость сети.
27