Τα βασικά στοιχεία της τεχνολογίας 3G

Η τρίτη γενιά κινητών τηλεπικοινωνιών, κοινώς γνωστή ως 3G, σηματοδότησε μια αποφασιστική μετάβαση από φωνητικές-κεντρικές υπηρεσίες σε μια εμπειρία κινητής τηλεφωνίας με βάση δεδομένα. Σε αντίθεση με τους προκατόχους της, η 3G σχεδιάστηκε από το έδαφος μέχρι να υποστηρίξει την πρόσβαση στο διαδίκτυο υψηλής ταχύτητας, τα μηνύματα πολυμέσων και την επικοινωνία βίντεο σε πραγματικό χρόνο. Ο πυρήνας της τεχνολογίας 3G στηρίζεται σε μια οικογένεια προτύπων που ορίζονται από τη Διεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών (ITU) στο πλαίσιο IMT-2000. Τα δύο κυρίαρχα παγκόσμια πρότυπα ήταν UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) και CDMA2000. Ενώ η UMTS έγινε η διαδρομή για τους περισσότερους φορείς GSM που βασίζονται, CDMA2000 υιοθετήθηκε από πολλά δίκτυα στην Αμερική και μέρη της Ασίας. Και τα δύο πρότυπα μόχλευσης τεχνικών spread-spectrum, κυρίως Code Division Multiple Access (CDMA), για να παραδώσει υψηλότερη φασματική απόδοση και μεγαλύτερη χωρητικότητα από τα προηγούμενα συστήματα 2G.

Εξαρτήματα δικτύου πρόσβασης ραδιοφώνου

Στο φυσικό στρώμα, ένα δίκτυο 3G αποτελείται από ένα δίκτυο ραδιοπρόσβασης (RAN) που συνδέει κινητές συσκευές με το κεντρικό δίκτυο. Σε UMTS, το RAN είναι γνωστό ως το UTRAN (UMTS Terresal Radio Access Network). Τα βασικά συστατικά περιλαμβάνουν τον κόμβο Β, το ισοδύναμο ενός σταθμού πομποδέκτη βάσης σε 2G, ο οποίος χειρίζεται ραδιομεταφορά και λήψη. Κάθε κόμβος Β εξυπηρετεί ένα ή περισσότερα κύτταρα και διαχειρίζεται τη ραδιοσύνδεση με τον εξοπλισμό χρήστη. Συνδεδεμένος με τον κόμβο Β είναι ο ελεγκτής ραδιοδικτύων (RNC), ένας ευφυής ελεγκτής που διαχειρίζεται τους ραδιοφωνικούς πόρους, ελέγχει τα χειρόγραφα μεταξύ των κυττάρων, και συντονίζει τη ροή των δεδομένων. Το RNC είναι κρίσιμο για την εξασφάλιση της απρόσκοπτης κινητικότητας καθώς οι χρήστες κινούνται σε περιοχές κάλυψης. Σε δίκτυα CDMA2000, τα αναλογικά στοιχεία είναι ο σταθμός μετάδοσης βάσεων (BTS) και ο ελεγκτής βάσης (BShaul) του σταθμού (BS).

Αρχιτεκτονική δικτύου πυρήνα

Το δίκτυο πυρήνα 3G είναι χτισμένο γύρω από μια διπλή αρχιτεκτονική που διαχειρίζεται τόσο τις κυκλικές φωνητικές κλήσεις και τις υπηρεσίες SMS, παρέχοντας μια ομαλή διαδρομή μετάβασης από 2G δίκτυα. Ο τομέας που έχει μεταβληθεί πακέτο εισήγαγε τον κόμβο υποστήριξης GPRS (SGSN) και τον κόμβο υποστήριξης Gateway GPRS (GGSN). Ο SGSN παρακολουθεί την τοποθεσία των κινητών συσκευών και διαχειρίζεται τις συνεδρίες δεδομένων, ενώ ο GGSN λειτουργεί ως πύλη προς τα εξωτερικά δίκτυα δεδομένων πακέτων όπως το διαδίκτυο. Αυτή η διαίρεση επέτρεψε στους φορείς εκμετάλλευσης να προσφέρουν ταυτόχρονη φωνητική και υπηρεσίες δεδομένων. Ο πυρήνας περιλαμβάνει επίσης βάσεις δεδομένων όπως το Μητρώο Τοποθεσίας (HLR) και το Κέντρο Αυθεντικής Διαχείρισης (AuC) για τη διαχείριση και την ασφάλεια των συνδρομητών. Με την πάροδο του χρόνου, το κεντρικό δίκτυο εξελίχθηκε για την υποστήριξη των υπηρεσιών IP Πολυμέσα υποσυστήματος (IMS) για τις πλουσιότερες υπηρεσίες πολυμέσων (IMS) για τις υπηρεσίες πολυμέσων, τη δημιουργία της αρχιτεκτονικής του εδάφους για το μέλλον.

Τεχνολογικές καινοτομίες σε 3G

3G εισήγαγε μια σειρά τεχνολογιών που βελτίωσαν θεμελιωδώς την κινητή επικοινωνία. Η πιο εμφανής ήταν η ευρεία υιοθέτηση του CDMA ως διεπαφή αέρα. Σε αντίθεση με το TDMA (Time Division Multiple Access) που χρησιμοποιείται στο 2G GSM, CDMA επέτρεψε σε πολλούς χρήστες να μεταδίδουν ταυτόχρονα στην ίδια συχνότητα, διακρίνονται από μοναδικούς κωδικούς διάδοσης. Αυτή η αυξημένη χωρητικότητα και βελτίωση της ποιότητας κλήσης υπό υψηλό φορτίο. Προηγμένοι αλγόριθμοι ελέγχου ισχύος εξασφάλιζαν ότι κάθε κινητή συσκευή που μεταδίδονταν με την ελάχιστη απαιτούμενη ισχύ, μειώνοντας την παρεμβολή και την επέκταση της ζωής της μπαταρίας. Άλλες καινοτομίες περιελάμβαναν προσαρμοστική διαμόρφωση και κωδικοποίηση, που επέτρεψαν στο δίκτυο να προσαρμόσει τους ρυθμούς δεδομένων με βάση την ποιότητα του σήματος, και έξυπνες τεχνικές κεραίας που βελτίωσαν την κάλυψη και την φασματική απόδοση.

Διαβίβαση δεδομένων και Εξέλιξη ταχύτητας

Ενώ τα πρώτα δίκτυα 3G προσέφεραν μέγιστες τιμές δεδομένων γύρω στα 384 kbps, η εισαγωγή της πρόσβασης Πακέτων Υψηλής Ταχύτητας (HSPA) και οι εξελίξεές της αυξήθηκαν δραματικά μέσω της ροής. HSDPA (High Speed Downlink Packet Access) ενίσχυσε τις ταχύτητες κατόδου σε αρκετά Mbps προσθέτοντας κοινά κανάλια και γρήγορο προγραμματισμό. HSUPA (High Speed Uplink Packet Access) βελτίωσε την απόδοση της σύνδεσης. Αργότερα, η HSPA+ (Evolved HSPA) ώθησε τις θεωρητικές τιμές αιχμής πέρα από 42 Mbps χρησιμοποιώντας κεραίες MIMO και διαμόρφωση υψηλότερης τάξης (π.χ., 64QAM). Αυτές οι βελτιώσεις επέτρεψαν την ροή κινητών βίντεο, κοινωνικών μέσων και την περιήγηση ιστού να γίνουν πρακτικές. Στο μονοπάτι CDMA2000, η Evolution-Data Optimized (EV-DO) προσέφερε παρόμοιες επιδόσεις δεδομένων, με Rev. A και Rev. B υποστηρίζοντας ταχύτερη ταχύτητα και χαμηλότερη latency.

Η Εξέλιξη Πέρα από το 3G

Η ταχεία ανάπτυξη της ζήτησης κινητών δεδομένων σύντομα ξεπέρασε αυτό που τα δίκτυα 3G μπορούσαν άνετα να προσφέρουν. Αυτό οδήγησε την ανάπτυξη της 4G LTE, η οποία υιοθέτησε μια all-IP επίπεδη αρχιτεκτονική, ορθογώνια πολλαπλή πρόσβαση διατομής συχνοτήτων (OFDMA), και πολυ-αντιγόνα συστήματα για να επιτευχθεί ακόμη μεγαλύτερη φασματική απόδοση. 4G LTE-A (Advanced) προσέφερε ποσοστά αιχμής μέχρι 1 Gbps. Ωστόσο, 3G δίκτυα δεν εξαφανίστηκαν?Συνέχισαν την εξυπηρέτηση δισεκατομμυρίων συνδρομητών σε περιοχές με περιορισμένη κάλυψη 4G και ως μια πτώση για υπηρεσίες φωνής. Η άφιξη 5G έφερε ένα νέο παράδειγμα: εξαιρετικά αξιόπιστες επικοινωνίες χαμηλής φωτεινότητας (URLLC), μαζικής τεχνολογίας επικοινωνιών (mMTC), και ενισχυμένων κινητών ευρυζωνικών (eMBB) με ποσοστά δεδομένων που ξεπερνούν τα 10 Gbps. 5G δικτύων χρησιμοποιούν συχνότητες χιλιομέτρων, δέσμη, και licing δικτύου για την υποστήριξη διαφορετικών περιπτώσεων από τα αυτόνομα οχήματα IoT.

Από 3G έως 5G: Μια σύντομη επισκόπηση

  • 4G LTE: Εισάγεται OFDMA, MIMO έως 8×8, υποστήριξη για VoIP μέσω VoLTE, και ταχύτητες αιχμής άνω των 100 Mbps. Εστίαση σε ευρυζωνική πρόσβαση υψηλής ταχύτητας, επιτρέποντας HD βίντεο streaming, online gaming, και υπηρεσίες cloud.
  • 5G NR: Νέα ραδιοδιεπαφή που υποστηρίζει υπο-6 GHz και mmWave ζώνες. Χαρακτηριστικά εύκαμπτη αριθμολογία, μαζική MIMO, διαμόρφωση δέσμης και τέμνουσα δικτύου. Προσφέρει μονοψήφιο λανθάνον επίπεδο και υποστήριξη για την ανάπτυξη πυκνών συσκευών (1 εκατομμύριο συσκευές ανά km2).
  • Λεγασία 3G: Ενώ τα δίκτυα 3G καταργούνται σταδιακά σε πολλές χώρες για να επαναχρησιμοποιήσουν το φάσμα 4G/5G, παραμένουν σε λειτουργία για συσκευές IoT, παλιά συστήματα χειρισμού και συστήματα έκτακτης ανάγκης σε ορισμένες περιοχές. Η βασική τεχνολογία ⁇ ιδιαίτερα οι έννοιες των δεδομένων με τη μορφή πακέτων, η απαλή παράδοση και η προηγμένη κωδικοποίηση ⁇ επηρέασαν όλες τις επόμενες γενιές.

Η Κληρονομιά και οι επιπτώσεις του 3G

3G άλλαξε τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι αλληλεπιδρούσαν με τις κινητές συσκευές. Πριν από το 3G, το κινητό διαδίκτυο ήταν αργό, ακριβό και μη πρακτικό για τις περισσότερες χρήσεις. 3G έκανε την περιήγηση στο κινητό, το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο, την κοινωνική δικτύωση και τα multimedia messaging mainstream. Δημιουργούσε την οικονομία εφαρμογών ⁇ Apple’s App Store και Google Play βασίζονται σε ευρυζωνικές συνδέσεις για να παραδώσει διαδραστικές εμπειρίες. Η κλήση βίντεο, μόλις μια καινοτομία, έγινε ένα πρότυπο χαρακτηριστικό.Για τις επιχειρήσεις, 3G ενεργοποιημένο κινητό CRM, σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση αποθεμάτων, και συνδεσιμότητα του εργατικού δυναμικού τομέα. Σε παγκόσμια κλίμακα, 3G βοήθησε στη γεφύρωση του ψηφιακού χάσματος φέρνοντας πρόσβαση στο διαδίκτυο σε αγροτικές και υποδιατηρημένες περιοχές, ειδικά όπου έλειπε σταθερή υποδομή. Η τεχνολογία επίσης καταλύθηκε καινοτομία σε κινητά chipets, κεραίες, και διαχείριση ισχύος. Σύμφωνα με την ITU, 3G δίκτυα που καλύπτονται πάνω από το 85% του παγκόσμιου αστικού πληθυσμού μέχρι το 2015.

Συμπέρασμα

Η κατανόηση της βασικής τεχνολογίας πίσω από δίκτυα 3G αποκαλύπτει τα μηχανικά θεμέλια που κατέστησαν δυνατή τη σύγχρονη κινητή επικοινωνία. Από τα συστατικά του δικτύου ραδιοπρόσβασης όπως ο κόμβος Β και ο RNC στην αρχιτεκτονική διπλού κυκλώματος/πακέτου του κεντρικού δικτύου, κάθε στοιχείο σχεδιάστηκε για να εξισορροπεί την ικανότητα, την κάλυψη και την ποιότητα. Οι καινοτομίες στο CDMA, HSPA, και αρχιτεκτονική δικτύου έστησαν το στάδιο για την εποχή της ευρυζωνικής ζώνης. Καθώς η βιομηχανία τώρα μεταβαίνει σε 5G και πέρα ⁇ με έρευνα 6G ήδη σε εξέλιξη ⁇ τα μαθήματα που μαθαίνονται από το 3G συνεχίζουν να διαμορφώνουν τον τρόπο σχεδιασμού ασύρματων συστημάτων. Η διαδρομή από 3G σε 5G δεν είναι μόνο για τις γρηγορότερες ταχύτητες· πρόκειται για την ικανοποίηση συνεχώς αυξανόμενων απαιτήσεων συνδεσιμότητας, χαμηλής λανθάνουσας ισχύος και αξιοπιστίας. Ενώ τα δίκτυα 3G μπορεί να ξεθωριάζουν από το τοπίο, η τεχνολογική κληρονομιά τους διαρκεί σε κάθε σύνδεση smartphone που κάνουμε σήμερα.

Για περαιτέρω ανάγνωση, διερευνήστε το 3GPP προδιαγραφών για UMTS και LTE, το ITU IMT-2000 πρότυπο σύνολο], και σε βάθος εξετάζει την εξέλιξη της τεχνολογίας κινητής από την Qualcomm. Η κατανόηση αυτών των πόρων παρέχει μια βαθύτερη εκτίμηση για τη μηχανική που τροφοδοτεί τον συνδεδεμένο κόσμο μας.