Стандарты сотовой связи: архитектура сетей 2G (GSM), 3G (UMTS), 4G (LTE), 5G (NR)

Введение

Сотовые сети эволюционировали от голосовых сервисов 1G до конвергентных платформ 5G, обеспечивающих сверхвысокие скорости, низкую задержку и массовую машинную связь. В статье рассмотрены:

• ключевые этапы развития стандартов;
• архитектура и компоненты сетей каждого поколения;
• радиоинтерфейсы и протоколы;
• различия в плоскостях управления и пользовательских данных;
• эволюция от GSM к 5G NR.

1. 2G: GSM (Global System for Mobile Communications)

1.1. Общая характеристика

• Годы внедрения: 1991 г. (коммерческие сети).
• Основные сервисы: голосовая связь, SMS, низкоскоростной пакетный доступ (GPRS, EDGE).
• Частотные диапазоны: 900 МГц, 1800 МГц (Европа), 850/1900 МГц (США).
• Метод доступа: TDMA/FDMA (временное и частотное разделение).

1.2. Архитектура сети

Основные подсистемы:

1. BSS (Base Station Subsystem):
   • BTS (Base Transceiver Station) — радиочасть (антенны, приёмопередатчики);
   • BSC (Base Station Controller) — управление радиоресурсами, хэндовер.
2. NSS (Network Switching Subsystem):
   • MSC (Mobile Switching Center) — коммутация вызовов, взаимодействие с ТфОП;
   • HLR (Home Location Register) — база данных абонентов;
   • VLR (Visitor Location Register) — временная база для «гостей»;
   • AuC (Authentication Center) — аутентификация и шифрование;
   • EIR (Equipment Identity Register) — проверка IMEI.
3. Опорная сеть (Backbone) — передача сигнальной и пользовательской информации.

1.3. Радиоинтерфейс (Um)

• Полоса канала: 200 кГц.
• Временные слоты (TS): 8 на кадр (TDMA).
• Модуляция: GMSK.
• Скорость на слот: ~14–22 кбит/с (TCH/FS).
• Шифрование: A5/1, A5/2, A5/3.

1.4. Сигнализация и протоколы

• MAP (Mobile Application Part) — взаимодействие MSC/HLR/VLR.
• BSSAP (BSS Application Part) — связь BSC–MSC.
• LAPD (Link Access Procedure on the D channel) — канальный уровень на интерфейсе Abis.

2. 3G: UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

2.1. Общая характеристика

• Стандарт: 3GPP Release 4–6.
• Годы внедрения: ~2002 г.
• Сервисы: голос, видеозвонки, мобильный интернет (HSDPA/HSUPA до ~42 Мбит/с).
• Метод доступа: W‑CDMA (широкополосный CDMA).
• Частоты: 2100 МГц (FDD), 1900 МГц (TDD).

2.2. Архитектура сети (UTRAN + Core Network)

Радиодоступ (UTRAN):

• Node B — базовая станция (аналог BTS);
• RNC (Radio Network Controller) — управление радиоресурсами, хэндоверами, QoS.

Ядро сети (Core Network):

• CS Domain (Circuit Switched): MSC/VLR, HLR — для голоса/SMS;
• PS Domain (Packet Switched): SGSN, GGSN — для пакетной передачи;
• HSDPA/HSUPA — улучшенные радиотехнологии (Release 5–6).

2.3. Радиоинтерфейс (Uu)

• Ширина канала: 5 МГц.
• ОВК (Опорный вектор кода, OVSF) — разделение пользователей в CDMA.
• Скорости: до 2 Мбит/с (Release 99), до 14,4 Мбит/с (HSDPA), до 5,76 Мбит/с (HSUPA).
• Модуляции: QPSK, 16QAM (HSDPA).
• Soft Handover — плавный переход между Node B.

2.4. Протоколы и плоскости

• RRC (Radio Resource Control) — управление соединениями;
• RLC (Radio Link Control) — надёжность передачи;
• MAC (Medium Access Control) — распределение ресурсов;
• PDCP (Packet Data Convergence Protocol) — сжатие и шифрование.

3. 4G: LTE (Long Term Evolution)

3.1. Общая характеристика

• Стандарт: 3GPP Release 8–15.
• Годы внедрения: ~2009 г.
• Цель: IP‑ориентированная сеть с высокими скоростями (до 1 Гбит/с) и малой задержкой.
• Метод доступа: OFDMA (вниз), SC‑FDMA (вверх).
• Частоты: от 700 МГц до 2600 МГц и выше.

3.2. Архитектура (E‑UTRAN + EPC)

Радиодоступ (E‑UTRAN):

• eNodeB (eNB) — базовая станция, объединяет функции Node B и RNC.

Ядро (EPC, Evolved Packet Core):

• MME (Mobility Management Entity) — управление мобильностью, аутентификация;
• S‑GW (Serving Gateway) — маршрутизация пользовательских данных, хэндоверы;
• P‑GW (Packet Data Network Gateway) — выход в интернет/сети операторов;
• HSS (Home Subscriber Server) — единая база абонентов (эволюция HLR/VLR);
• PCRF (Policy and Charging Rules Function) — политика QoS и тарификации.

3.3. Радиоинтерфейс (E‑UTRA)

• Структура кадра: 10 мс (10 подкадров, 1 мс каждый);
• Ресурсные блоки (RB): 12 поднесущих × 0,5 мс (180 кГц);
• Ширина полосы: 1,4…20 МГц;
• Модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM, 256QAM (Release 12+);
• MIMO: 2×2, 4×4, 8×8 (для повышения пропускной способности);
• CA (Carrier Aggregation) — объединение до 5 несущих (100 МГц суммарно).

3.4. Протоколы плоскостей

User Plane (пользовательские данные):

• PDCP → RLC → MAC → PHY.

Control Plane (управление):

• RRC (Radio Resource Control) — настройка соединений, измерения;
• NAS (Non‑Access Stratum) — между UE и MME.

Интерфейсы:

• X2 — между eNB (хэндоверы);
• S1‑MME — eNB ↔ MME (управление);
• S1‑U — eNB ↔ S‑GW (пользовательские данные).

4. 5G: NR (New Radio)

4.1. Общая характеристика

• Стандарт: 3GPP Releases 15–18+.
• Годы внедрения: с 2019 г.
• Сценарии: eMBB (широкий канал), URLLC (низкая задержка), mMTC (массовый IoT).
• Диапазоны: FR1 (< 6 ГГц) и FR2 (mmWave, 24…100 ГГц).
• Метод доступа: OFDM (как в LTE), но с гибкой структурой кадра.

4.2. Архитектура (NG‑RAN + 5GC)

Радиодоступ (NG‑RAN):

• gNB — 5G‑базовая станция;
• ng‑eNB — LTE‑eNB, интегрированный в 5G‑сеть.

Ядро (5GC, 5G Core) — сервис‑ориентированная архитектура (SBA):

• AMF (Access and Mobility Management Function) — мобильность;
• SMF (Session Management Function) — управление PDU‑сессиями;
• UPF (User Plane Function) —