Какие перспективы развития мобильной связи
Дальнейшее развитие мобильной связи возможно по нескольким направлениям:
- создание принципиально новых технологий и протоколов передачи данных;
- доработка существующих стандартов передачи данных;
- разработка технологий и стандартов для «Интернета вещей».
С 2014 года в России и мире тестируют технологию Pre-5G. Скорость передачи данных во время экспериментальных замеров в России варьировалась от 4 до 35 Гбит/секунду.
В 2015 году Международный союз электросвязи разработал концепцию развитию сетей 5G IMT-2020. С тех пор полноценная инфраструктура пятого поколения появилась в Соединенных Штатах Америки, Китайской Народной Республике, Республике Корея, некоторых странах и городах Евросоюза.
Минимальная пропускная способность новой технологии в 136 раз выше максимальной для предыдущего поколения 4G. В тестовых сетях скорость передачи данных доходит до 25 Гбит/с. По оценкам специалистов, 5G позволит предоставить скорость в 100 Мбит/секунду для 1 миллиона устройств на 1 км².
Pre-5G и 5G в России
С 2016 года ПАО «МегаФон» и ПАО «Мобильные ТелеСистемы» тестирует Pre-5G совместно с международными компаниями Nokia и Huawei.
Главная сложность технологии 5G в том, что полоса сигнала гораздо шире, чем у предыдущих поколений сетей. Поэтому в России до сих пор не определили доступный диапазон частот для строительства сетей связи. Активно ведется дискуссия по поводу частот 3,4-3,8 ГГц. Они наиболее удобны из доступных в мире, но в Российской Федерации закреплены за специальными службами, государственным компаниями и стандартом беспроводного широкополосного доступа WiMAX. Правительство рассматривает варианты в диапазоне 4,79-5 ГГц.
Решением Государственной Комиссии по использованию радиочастот для тестирования инфраструктуры 5G в России выделен диапазон радиочастот 25,25-29,5 ГГц. Летом 2019 года в Москве начали тестирование пятого поколения сотовой связи. Первой экспериментальной площадкой выступит территория Морозовской детской городской клинической больницы. Инфраструктуру там уже выстроили операторы федеральной четверки – ПАО «Вымпел-Коммуникации», ПАО «МегаФон», ПАО «Мобильные ТелеСистемы» и ООО «Т2 Мобайл».
Окончательно освободить место в радиочастотном спектре под 5G Правительство РФ планирует в течение 2,5 лет. А Huawei обещает смартфоны с поддержкой 5G не раньше 2021 года.
С июля 2019 также ведется разработка российского программного обеспечения для взаимодействия с технологией 5G.
Интернет вещей
Internet of items (IoT) – концепция, при которой техника решает задачи без участия человека или с минимальным его вмешательством. Яркими примерами IoT являются умный дом и беспилотный автомобиль.
Сети связи пятого поколения первоначально проектировались и для «интернета вещей». 5G станет первым стандартом, который объединит IoT и выведет роботизацию процессов на новый уровень. Благодаря снижению времени задержки 5G можно использовать даже на беспилотном транспорте, двигающемся со скоростью до 500 км/ час.
Скорость развития технологий растет ежегодно. Если от 1G до 2G прошло около 16 лет, то теперь смена поколений происходит раз в 7-10 лет
Важно правильно и своевременно использовать новые технологии и вовремя отказываться от старых
3G
2000-е годы. Мобильные данные: от 2 до 14,7 Мбит/с
В сетях третьего поколения интернет стал по-настоящему широкополосным. Часто под этим термином понимают просто высокую скорость передачи данных мобильного интернета. В более узком смысле слово «широкополосный» подразумевает, что по одному носителю передается сразу несколько потоков информации. Например, единственный провод используется для голосовой связи и интернета одновременно.
Широкополосность тесно связана с понятием модуляции, которую проще объяснить на примере FM-радио. В эфире передается музыка, то есть звук. Человек воспринимает на слух сигналы с частотой от 20 Гц до 20 000 Гц (1 Гц — одно колебание в секунду). Однако частота радиоволн в FM-диапазоне намного выше: в районе 100 МГц (миллионов герц). Чтобы радиочастота (несущая) передавала звук, ее модулируют, то есть изменяют: когда уровень звукового сигнала повышается, увеличивается частота несущей, и наоборот. Частота несущей радиоволны колеблется в пределах 180 кГц. Этой полосы пропускания (bandwidth) хватает, чтобы приемник извлек из нее качественный звук. Аббревиатура FM, собственно, и означает частотную модуляцию — Frequency Modulation.
Скрыть текст
Nokia 3310
Звук, который мы слышим по радио, устроен куда сложнее и содержит больше информации, чем цифровой сигнал — последовательность нулей и единиц. Однако, используя продвинутые алгоритмы модуляции, можно упаковать в несущую волну сразу много цифровых потоков, то есть сделать сигнал широкополосным. И от ширины частотной полосы будет зависеть, сколько именно данных в единицу времени получится передать на удаленные устройства.
В сетях третьего поколения, вместо того чтобы делить частотный диапазон на полосы по 25 кГц (2G FDMA) между абонентами, им дали возможность совместно использовать «магистраль» шириной в 1,23 МГц, то есть в пятьдесят раз больше. Для совместного доступа применили технологию с разделением по коду: CDMA (Code Division Multiple Access). По каналу пришлось передавать значительное количество «лишней» информации (псевдослучайный код), но результат того стоил: скорость мобильного интернета многократно возросла.
1G
1980-е годы. Мобильные данные: не поддерживаются
Первые мобильные, а точнее автомобильные телефоны, появились в конце 1940-х годов. Огромная башенная антенна с радиусом действия в десятки километров соединяла их с телефонной сетью. В 1960-х каждому радиотелефону стали выделять сразу два канала: один на передачу, другой на прием, чтобы пользователь мог одновременно говорить и слушать (такой режим связи называется дуплексным). Центральная антенна могла обслуживать единицы дуплексных телефонов одновременно. О мобильном интернете в тот момент даже не думали, да и самой Всемирной сети еще не было.
В 1980-х появилась ключевая технология: операторы разделили территории на множество небольших сот, каждая из которых обслуживалась своей базовой станцией — антенной, подключенной к телефонной сети по проводам. Теоретически одна станция могла предоставить пары частот для 28 абонентов, хотя на практике число было и того меньше. Главное, что теперь частоты можно было использовать многократно.
Скрыть текст
Nokia Mobira
Каждая сота граничит с шестью соседними. Их зоны действия частично пересекаются, поэтому семь ближайших друг к другу базовых станций не должны иметь общих частот. Зато за пределами «семерки» одни и те же частоты можно использовать снова и снова. Разработчики технологии сотовых сетей первого поколения догадались разделить радиоэфир между абонентами по территориальному признаку.
Этим принципом мы пользуемся и сегодня. Попадая в зону действия базовой станции, мобильное устройство связывается с ней по специальному сервисному каналу и регистрируется в сети. Оператор всегда «знает», рядом с какой станцией вы находитесь и куда перебросить звонок, если кто-то наберет ваш номер. В отличие от рации, сотовый телефон обеспечивает соединение лишь на «последней миле». Несопоставимо большее расстояние сигнал между абонентами проходит по проводам. Так что технологии сотовой связи и мобильного интернета можно назвать беспроводными лишь с долей условности.
История развития
Работы по созданию гражданских систем мобильной связи начались в 1970-х. К этому моменту развитие обычных телефонных сетей в европейских странах достигло такого уровня, что следующим шагом в эволюции коммуникаций могла стать только доступность телефонной связи везде и всюду.
Сети на первом гражданском стандарте сотовой связи – NMT-450 – появились в 1981. Хотя наименование стандарта представляет собой сокращение слов Nordic Mobile Telephony («мобильная телефония северных стран»), первая на планете сотовая сеть была развернута в Саудовской Аравии. В Швеции, Норвегии, Финляндии (и других странах Северной Европы) сети NMT заработали на несколько месяцев позднее.
Через два года – в 1983 – на территории США была запущена первая сеть стандарта AMPS (Advanced Mobile Phone Service), созданного в исследовательском центре Bell Laboratories.
Стандарты NMT и AMPS, которые принято относить к первому поколению систем сотовой связи, предусматривали передачу данных в аналоговой форме, что не позволяло обеспечить должный уровень помехоустойчивости и защиты от несанкционированных подключений. Впоследствии у них появились усовершенствованные за счет использования цифровых технологий модификации, например, DAMPS (первая буква аббревиатуры своим появлением обязана слову Digital – «цифровой»).
Стандарты второго поколения (так называемого 2G) – GSM, IS-95, IMT-MC-450 и др., изначально созданные на основе цифровых технологий, превосходили стандарты первого поколения по качеству звука и защищенности, а также, как выяснилось впоследствии, по заложенному в стандарт потенциалу развития.
Уже в 1982 Европейская Конференция Администраций Почт и Электросвязи (CEPT) создала группу для разработки единого стандарта цифровой сотовой связи. Детищем этой группы стал GSM (Global System for Mobile Communications).
Первая сеть GSM была запущена в эксплуатацию в Германии в 1992. Сегодня GSM является господствующим стандартом сотовой связи как в России, так и во всем мире. В 2004 в нашей стране GSM-сети обслуживали свыше 90% абонентов сотовой связи; в мире GSM использовало 72% абонентов.
Для работы оборудования стандарта GSM выделено несколько диапазонов частот – на них указывают числа в названиях. В европейском регионе в основном используются GSM 900 и GSM 1800, в Америке – GSM 950 и GSM 1900 (на момент утверждения стандарта в США «европейские» частоты там оказались заняты другими службами).
Популярность стандарту GSM обеспечили его значимые для абонентов особенности:
- высокое качество передачи голоса;
- защищенность от помех, перехвата и «двойников»;
- наличие большого числа дополнительных сервисов;
- возможность при наличии «надстроек» (таких, как GPRS, EDGE и др.) обеспечивать передачу данных с высокими скоростями;
- присутствие на рынке большого количества телефонных аппаратов, работающих в сетях стандарта GSM;
- простота процедуры смены одного аппарата на другой.
В процессе развития сотовые сети стандарта GSM приобрели возможности расширения за счет некоторых «надстроек» над действующей инфраструктурой, обеспечивающих скоростную передачу данных. GSM-сети с поддержкой GPRS (General Packet Radio Service) получили название 2,5G, а GSM-сети с поддержкой стандарта EDGE (Enhanced Data rates for Global Evolution) иногда называют сетями 2,75G.
В конце 1990-х в Японии и Южной Корее появились сети третьего поколения (3G). Основное отличие стандартов, на которых построены сети 3G, от предшественников – расширенные возможности скоростной передачи данных, что позволяет реализовывать в таких сетях новые сервисы, в частности, видеотелефонию. В 2002–2003 первые коммерческие сети 3G начали работать и в некоторых странах Западной Европы.
Хотя в настоящее время сети 3G существуют лишь в ряде регионов мира, в инженерно-технических лабораториях крупнейших компаний уже ведутся работы по созданию стандартов сотовой связи четвертого поколения. Во главу угла при этом ставится не только дальнейшее увеличение скорости передачи данных, но и повышение эффективности использования пропускной способности частотных диапазонов, выделенных для мобильной связи, чтобы получать доступ к сервисам могло большое количество абонентов, находящихся на ограниченной территории (что особенно актуально для мегаполисов).
4G
2010-е годы. Мобильные данные: от 300 Мбит/с до 3 Гбит/с
Сети четвертого поколения работают приблизительно в том же диапазоне частот, что и 3G и даже 2G (от 800 до 2600 МГц). Но если в начале 1990-х все наши мобильные данные сводились к эсэмэскам, то сегодня мы на лету смотрим видео высокого разрешения, редко сталкиваясь с недостаточной скоротью передачи данных. Технология 4G выжала все соки из эфирного пространства, которое эксплуатировалось десятилетиями. Не зря четвертое поколение ассоциируется с аббревиатурой LTE — Long Term Evolution, или долговременное развитие.
Скрыть текст
iPhone 5
Радиоволны, подобно волнам на поверхности воды, могут взаимодействовать с окружающими предметами и друг с другом. Они отражаются от зданий, рассеиваются, проходя сквозь стены, и даже искажают соседние волны. Чтобы волны соседних полос не мешали друг другу, в технологиях FDMA и CDMA между ними оставляли защитный диапазон. Разработчикам 4G удалось использовать эти пустоты и дополнительно уплотнить эфир с помощью технологий MIMO и OFDMA.
MIMO расшифровывается как Multiple Input Multiple Output — «множественные входы и множественные выходы». Базовая станция посылает сигнал сразу с двух или более антенн, а мобильное устройство принимает соответственно двумя или более антеннами (да, все они помещаются в компактном корпусе). Несколько версий радиосигнала проходят разные пути в пространстве и искажаются каждый по-своему, но затем компьютер восстанавливает из них качественный исходный сигнал.
За технологией OFDMA (O здесь означает «ортогональный») стоит сложная математика. Но вкратце суть ее в том, что отведенная одному абоненту полоса частот (несущая) разбивается на множество (до 256) поднесущих. Их частотные спектры пересекаются, и они непременно мешали бы друг другу, если бы не были филигранно синхронизированы по времени. В тот момент, когда поднесущая достигает пика мощности, ее ближайшие соседки всегда слабы.
В сетях 4G ресурсы сети используются максимально гибко. Система постоянно варьирует ширину полос, временные слоты и количество поднесущих в зависимости от аппетитов конкретных пользователей и качества радиосигнала. Устройство, которому требуется максимальная скорость, получает широкий канал, и наоборот — гаджеты, которым достаточно медленного интернета, не расходуют ресурсы сети понапрасну.
Первое поколение мобильной связи (1G)
Официальным днем рождения сотовой связи считается 3 апреля 1973 года, когда глава подразделения мобильной связи компании Motorola Мартин Купер позвонил начальнику исследовательского отдела AT&T Bell Labs Джоэлю Энгелю, находясь на оживленной Нью-йоркской улице. Именно эти две компании стояли у истоков мобильной телефонии. Коммерческую реализацию данная технология получила 11 лет спустя, в 1984 году, в виде мобильных сетей первого поколения (1G), которые были основаны на аналоговом способе передачи информации.
Основными стандартами аналоговой мобильной связи стали AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная подвижная телефонная служба) (США, Канада, Центральная и Южная Америка, Австралия), TACS (Total Access Communications System — тотальная система доступа к связи) (Англия, Италия, Испания, Австрия, Ирландия, Япония) и NMT (Nordic Mobile Telephone – северный мобильный телефон) (страны Скандинавии и ряд других стран). Были и другие стандарты аналоговой мобильной связи – С-450 в Германии и Португалии, RTMS (Radio Telephone Mobile System – радиотелефонная мобильная система) в Италии, Radiocom 2000 во Франции. В целом мобильная связь первого поколения представляла собой лоскутное одеяло несовместимых между собой стандартов.
Табл. 1 Характеристики аналоговых стандартов сотовой связи
|
Характеристика |
AMPS |
TACS |
NMT-450 |
NMT-900 |
Radiocom 2000 |
NTT |
|
Диапазон частот, МГц |
825-845 870-890 |
935-950 (917-933) 890-905 (872-888) |
453-457,5 463-467,5 |
935-960 890-915 |
424.8-427.9 418.8-421.9 |
925-940 870-885 |
|
Радиус соты,км |
2-20 |
2-20 |
2-45 |
0,5-20 |
5-20 |
5-10 |
|
Мощность передатчика БС, Вт |
45 |
50 |
— |
— |
— |
25 |
|
Ширина полосы частот канала, кГц |
30 (12,5) |
25 |
25 |
25/12,5 |
12,5 |
25 |
|
Время переключения на границе соты, мс |
250 |
290 |
1250 |
270 |
— |
800 |
|
Минимальное отношение сигнал\шум, дБ |
10 (6,5) |
10 |
15 |
15 |
— |
15 |
Во времена 1G никто не думал об услугах передачи данных – это были аналоговые системы, задуманные и разработанные исключительно для осуществления голосовых вызовов и некоторых других скромных возможностей. Модемы существовали, однако из-за того, что беспроводная связь более подвержена шумам и искажениям, чем обычная проводная, скорость передачи данных была невероятно низкой. К тому же, стоимость минуты разговора в 80-х была такой высокой, что мобильный телефон мог считаться роскошью.
Во всех аналоговых стандартах применяется частотная (ЧМ) или фазовая (ФМ) модуляция для передачи речи и частотная манипуляция для передачи информации управления. Этот способ имеет ряд существенных недостатков: возможность прослушивания разговоров другими абонентами, отсутствие эффективных методов борьбы с замираниями сигналов под влиянием окружающего ландшафта и зданий или вследствие передвижения абонентов. Для передачи информации различных каналов используются различные участки спектра частот — применяется метод множественного доступа с частотным разделением каналов (Frequency Division Multiple Access — FDMA). С этим непосредственно связан основной недостаток аналоговых систем — относительно низкая емкость, являющаяся следствием недостаточно рационального использования выделенной полосы частот при частотном разделении каналов.
В каждой стране была разработана собственная система, несовместимая с остальными с точки зрения оборудования и функционирования. Это привело к тому, что возникла необходимость в создании общей европейской системы подвижной связи с высокой пропускной способностью и зоной покрытия всей европейской территории. Последнее означало, что одни и те же мобильные телефоны могли использоваться во всех Европейских странах, и что входящие вызовы должны были автоматически направляться в мобильный телефон независимо от местонахождения пользователя (автоматический роуминг). Кроме того, ожидалось, что единый Европейский рынок с общими стандартами приведет к удешевлению пользовательского оборудования и сетевых элементов независимо от производителя.
2G
Основная информация о данном поколении стандартов связи:
- максимальная скорость передачи данных – 10 Кб/сек;
- разработано в 90-х годах прошлого века;
- наиболее распространенные стандарты – GSM, D-AMPS и IS-95, который со временем перерос в более известный сегодня CDMA;
- основное предназначение заключается в поддержке голосового общения, хотя интернет здесь тоже присутствует.
А теперь более подробно о том, что такое 2G.
Рис. №2. 2G
— Немного из истории
После того, как поколение 1G морально себя изжило, на свет появилось 2G. Самое первое поколение было рассчитано исключительно на голосовое общение.
В принципе, в 2G изменилось не так уж и много, просто это самое голосовое общение стало более продвинутым – звук более качественный и чистый, улучшена безопасность, меньшее влияние помех и так далее.
Но на то время и эти изменения были просто революционными! Каждый желающий мог беспрепятственно общаться со своим другом из очень отдаленной точки земного шара, и качество звука при этом было очень хорошим.
Рис. №3. Благодаря 2G люди с разных точек Земли могли связываться друг с другом
Собственно, говорить больше о данном поколении нечего – набор стандартов уже давно устарел, хотя и на то время он был чем-то революционным.
— Возможности
Итак, 2G изначально поддерживал только голосовое общение. Со временем это поколение стало поддерживать и передачу мультимедийных данных, что дало возможность использовать интернет.
Для этого были разработаны соответствующие стандарты. Стали выходить новые «полупоколения» (ведь был еще 2.5G, 2.75G и так далее, хотя то, зачем делать такую вот классификацию, и по сей день остается загадкой).
Но принцип работы этого поколения был похожим на работу модема с интернетом, который работал через телефонные сети.
Одновременно находиться в интернете, и совершать звонок с помощью любого из стандартов было невозможно. И, тем не менее, человечество все-таки стало на шаг ближе к мечте, которая называлась 3G.
Решение проблем со связью с помощью настроек смартфона
Исходя из особенностей работы сотовых сетей, первое решение заключается в изменении настроек подключения к сети или смене оператора.
Самое простое — поменять SIM-карту и посмотреть, что получится при использовании сети другого оператора. Возможно, в вашей местности плохо работает или вообще отсутствует сеть одного из операторов, но зато другой обеспечивает связь на «пять баллов».
Если смена сети не дает результата, можно попробовать поменять настройки подключения к сети, выбрав более старый стандарт.
В настройках вашего смартфона надо найти пункт, определяющий, к сети какого стандарта смартфон подключается. Обычно он установлен в автоматическом режиме, и устройство последовательно присоединяется сначала к сети 4G, потом 3G и только затем 2G. Если вы находитесь в месте, где сигнал 4G неустойчив, смартфон все равно зацепится за эту сеть и будет героически пытаться передать и принять данные, несмотря на некачественную связь, небольшую скорость, постоянные обрывы и сгорающий заряд аккумулятора.
Чтобы устранить проблему, следует попробовать установить подключение к сети 3G или даже 2G. Зоны покрытия этих сетей обычно больше, и связь в них работает стабильнее. Конечно, скорость передачи данных снизится, но они хотя бы начнут передаваться, или появится голосовая связь, если в первую очередь нужна именно она.
Но таким образом проблема решается далеко не всегда. В низинах, на большом удалении от базовых станций, в «мертвой зоне» за значительными препятствиями менять настройки смартфона в большинстве случаев бесполезно. Уровень сигнала просто недостаточен для его работы. В таких случаях нужна установка дополнительных устройств.
Европа
В некоторых европейских странах это может быть случай, когда 2G может даже пережить 3G, UMTS. Норвежский оператор мобильной связи Telenor объявил об отключении 3G в 2020 году – за пять лет до 2G.
Vodafone объявил о том, что он намерен отказаться от сетей 3G в Европе в 2020 и 2021 годах, в то время как Deutsche Telekom планирует продолжить 3G, UMTS до конца 2020 года. Однако ни Vodafone, ни Deutsche Telekom, ни Telefonica не планируют отключение 2G ,
| Дата выключения | Сетевой оператор | Страна | Технологии |
| 01.01.2021 | Swisscom | Лихтенштейн | GSM |
| 31.12.2020 | T-Mobile | Нидерланды | GSM |
| 31.12.2025 | Telenor | Норвегия | GSM |
| 31.12.2020 | Telenor | Норвегия | UMTS |
| 31.12.2021 | Telia | Норвегия | UMTS |
| 2020 | Telenor | Швеция | UMTS |
| 2025 | Tele2, Telia | Швеция | UMTS |
| Конец 2021 года
Конец 2024 года |
Восход | Швейцария | GSM900
UMTS * |
| 31.12.2020 | Swisscom | Швейцария | GSM |
* UMTS900 останется в работе, в то время как UMTS2100 будет постепенно свернут до даты отключения
Сеть 4G – общедоступная мобильная технология
Сеть 4G в настоящее время является общим стандартом доступа к мобильной сети. Более 90% населения нашей страны находится в покрытии 4G. Эта сеть предлагает скорость передачи до 1 Гб/с. Но в повседневном использовании она ниже – максимальная скорость доступа к 4G сети составляет 225 Мбит/с.
По сравнению с 3G сетью, архитектура была упрощена и возможность передачи больших пакетов данных была увеличена, что сделало 4G сеть более эффективной. Однако потребности продолжают расти.
К сожалению, несмотря на постоянные улучшения, сетевые ограничения не позволят в полной мере использовать потенциал доступного интернета и интеллектуальных технологий. Поэтому стало необходимо запустить следующее поколение сетей.
История сотовой связи
Эволюция систем сотовой связи включает в себя несколько поколений 1G, 2G, 3G и 4G. Ведутся работы в области создания сетей мобильной связи нового пятого поколения (5G). Стандарты различных поколений, в свою очередь, подразделяются на аналоговые (1G) и цифровые системы связи (остальные).
Рассмотрим их подробнее.
Связь всегда имела большое значение для человечества. Когда встречаются два человека, для общения им достаточно голоса, но при увеличении расстояния между ними возникает потребность в специальных инструментах. Когда в 1876 году Александр Грэхем Белл изобрел телефон, был сделан значительный шаг, позволивший общаться двум людям, однако для этого им необходимо было находиться рядом со стационарно установленным телефонным аппаратом! Более ста лет проводные линии были единственной возможностью организации телефонной связи для большинства людей. Системы радиосвязи, не зависящие от проводов для организации доступа к сети, были разработаны для специальных целей (например, армия, полиция, морской флот и замкнутые сети автомобильной радиосвязи), и, в конце концов, появились системы, позволившие людям общаться по телефону, используя радиосвязь. Эти системы предназначались главным образом для людей, ездивших на машинах, и стали известны как телефонные системы подвижной связи.
