Новости / январь 2020Беспроводная связьПоколение 5G


Первое поколение сотовой связи

Сейчас самое первое поколение сотовой связи принято называть 1G. Но в годы действия этих сетей никто о таком понятии не подозревал, тогда многие люди не думали о том, что в ближайшем будущем сотовая связь станет совсем другой. Итак, что же представляло собой первое поколение?

Фактически это была аналоговая связь. Её запуск был осуществлён компанией AT&T, а первый звонок состоялся 3 апреля 1973 года — его совершил Мартин Купер, являвшийся главой мобильного подразделения Motorola. Как и в случае со стационарной аналоговой связью, теоретически сотовый телефон можно было задействовать в качестве модема. Но решиться на это мог только какой-нибудь миллионер, ведь минута разговора в те времена стоила огромных денег.

Как и в случае с последующими поколениями, 1G — это лишь название, объединяющее под собой несколько разных стандартов. В Канаде, США, Австралии, а также Южной и Центральной Америке применялся стандарт AMPS. В странах Скандинавии и некоторых государствах получил распространение стандарт NMT и его разновидности. Ну а в Италии, Испании, Англии, Австрии, Ирландии и Японии применялось сотовое оборудование стандарта TACS. И это только три самых популярных варианта реализации сетей! Все эти стандарты были совершенно несовместимы друг с другом. Поэтому британец, приехавший в Америку, не мог разговаривать по своему собственному телефону. Друг от друга разные стандарты отличались не только диапазоном частот, но и радиусом соты, мощностью передатчика, временем переключения на границе соты и соотношением сигнала к шуму. Подробнее со всеми спецификациями вы можете ознакомиться в прилагающейся табличке.

Обычным людям сотовая связь первого поколения стала доступной далеко не сразу. Первое десятилетие некоторые компании занимались только экспериментами. Коммерческая реализация произошла только в 1984 году. Достаточно быстро стало ясно, что аналоговая сотовая связь имеет ряд недостатков. Во-первых, каждая сота имела малую ёмкость — при подключении к ней большого количества абонентов начинались серьезные проблемы. Во-вторых, качество сигнала было далеко от идеала, особенно если абонент находился не на улице, а в здании. Первыми об этих проблемах задумались европейцы. Они начали разрабатывать цифровую связь.

История сотовой связи

Эволюция систем сотовой связи включает в себя несколько поколений 1G, , и . Ведутся работы в области создания сетей мобильной связи нового пятого поколения (). 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.

Второе поколение сотовой связи

В 1982 году Европейская конференция почтовых и телекоммуникационных ведомств начала разрабатывать стандарт GSM. Вскоре его начали называть 2G-связью. Изначально GSM предназначался для стран-членов Европейского института стандартов в телекоммуникации. Но позже разработкой заинтересовались Средний Восток, Африка, Азия и Восточная Европа. Коммерческий релиз сетей стандарта GSM состоялся в 1991 году. Цифровой метод передачи данных позволял абонентам обмениваться SMS-сообщениями. А чуть позже им стал доступен выход в Интернет через протокол WAP.

Этот стандарт покорил не всех. Некоторые государства пошли по своему пути. Например, в США многие 2G-сети использовали стандарт D-AMPS. Лишь спустя какое-то время американцы перешли на GSM1900. А в некоторых странах надолго завоевал популярность стандарт CDMA. Он не был совместим с GSM, поэтому под него разрабатывались отдельные мобильные телефоны.

Постепенно на прилавках магазинов стало появляться всё большее количество портативных устройств, умеющих выходить в глобальную паутину. В связи с этим сотовым операторам нужно было что-то делать, так как в 2G остро не хватало скорости передачи данных. Поэтому вскоре появилось промежуточное поколение сотовой связи, которое принято называть 2,. В этот стандарт внедрили поддержку технологии GPRS, а затем и EDGE. Отныне мобильным телефоном осуществлялась пакетная передача данных — абонент платил за конкретный объем трафика, а не за время соединения с сервером. Это не только сэкономило людям деньги, но и увеличило скорость передачи и приема данных. В 2G-сетях этот параметр равнялся 9,6 Кбит/с, тогда как поддержка телефоном поколения 2,5G позволяла выходить в интернет на скорости до 170 Кбит/с (GPRS) или даже 384 Кбит/с (EDGE). В некоторых странах эти две технологии называли совершенно по-разному, но суть от этого не менялась.

Выше вы видите табличку, в которой указаны конкретные отличия всех стандартов, принадлежащих к поколениям 2G и 2,5G.

Поколения мобильной связи 1G, 2G, 3G, 4G, 5G

Мысль о создании беспроводной мобильной связи зародилась еще в начале прошлого столетия. С тех пор, работы в этом направлении велись по большей части западными странами и Советским Союзом. Рабочий прототип сотового телефона появился только лишь в 1973 году, когда компанией Motorola был представлен миру официально первый мобильный телефон DynaTac. В том же году, 3 апреля, директор отдела мобильной связи компании Motorola Мартин Купер, прогуливаясь по Манхеттену, демонстративно позвонил по мобильному телефону, чем привел в восторг прохожих.

Сегодня, жизнь человека трудно представить без мобильного телефона. Телефония, интернет со всеми его сервисами и возможностями – то без чего теперь невозможно обойтись ни дня. А ведь появилось все это не так уж давно, хотя за последние 35 лет сменилось уже четыре поколения сотовой связи. Развитие в этой области идет так быстро, что, едва исчерпав возможности 4G, операторы вот-вот предложат новое – пятое поколения мобильной связи.

В этой статье мы расскажем о том, как развивалась сотовая связь из поколения в поколение, и какие технологии применялись на каждом из этапов.

1G – первое поколение

Стандарты связи первого поколения были аналоговыми и имели множество недостатков. Все тогдашние технологии, мало того, что имели проблемы были с качеством сигнала, так еще и были несовместимы между собой.

Наибольшее распространение получили следующие стандарты:

  • AMPS (Advanced Mobile Phone Service – усовершенствованная подвижная телефонная служба). Данный стандарт широко использовался в странах Северной и Южной Америки, а также в Австралии;
  • TACS (Total Access Communications System — тотальная система доступа к связи). Этот стандарт получил распространение во многих Европейских странах;
  • NMT (Nordic Mobile Telephone – северный мобильный телефон). Использовался в скандинавских странах.
  • TZ-801 (TZ-802, TZ-803). Использовался в Японии.

Несмотря на все недостатки, аналоговым сетям мобильной связи все же нашли коммерческое применение. Первопроходцами в этом, ожидаемо, стали японцы, которые запустили в массы аналоговую беспроводную телефонную сеть в 1979 году. Затем, в 1981 году, сеть была запущена в некоторых европейских странах — Дании, Швеции, Норвегии и Финляндии. В США, первая коммерческая беспроводная телефонная сеть была пущена в эксплуатацию лишь в 1983 году.

2G – второе поколение

Начиная с 1982 года, изучением и разработкой пан-Европейской наземной системы подвижной связи общего применения занималась рабочая группа GSM (от франц. Groupe Spécial Mobile — специальная группа по подвижной связи), которая была сформирована Европейской конференцией почтовых и телекоммуникационных ведомств. Затем, в 1989 году, изучение и разработку второго поколения мобильной связи продолжил Европейский институт стандартов в телекоммуникации. Но аббревиатура GSM осталась, хотя и приобрела новое значение — Global System for Mobile Communications (глобальная система для подвижной связи).

Внедрение коммерческих проектов на основе технологий второго поколения началось в 1991 году. Отличало второе поколение от первого в первую очередь применение цифровых методов передачи данных, что открыло возможности для создание таких сервисов, как SMS (Short Message Service — служба коротких сообщений), WAP (Wireless Application Protocol — беспроводной протокол передачи данных), с помощью которого стал возможен доступ к Интернет с мобильных устройств. Но скорость передачи данных в сетях 2G, конечно же, пока оставляла желать лучшего, так как позволяла загружать не более 19 Кбит интернет-трафика в секунду. Тем не менее, пользователи очень высоко оценили ноу-хау, и стимулов для дальнейшего развития технологий передачи данных посредством мобильных сетей было более чем достаточно.

Стоит отметить, что на пути к третьему поколению, были предприняты некоторые значительные шаги в развитии, которые, получили условные обозначения 2,5G и 2,7G.

Промежуточное поколение 2,5G ознаменовал приход технологии GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования), которая позволила увеличить скорость передачи данных с 19 до аж 172 кбит/с. Но это лишь в теории, на практике скорость едва ли достигала 80 кбит/с, что по сравнению с 2G тоже не так уж плохо.

Другое яркое событие – появление технологии EDGE (EGPRS) (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Этим событием был обозначен следующий промежуточный этап, получивший название 2,7G. Промежуточный, а не следующий, так как технология предполагала лишь усовершенствование прежней, а не создание чего-то принципиально нового. Что касается скорости передачи данных в таких сетях, то теоретический максимум составлял около 470 Кбит/с, практические показатели варьировались в районе 150 Кбит/с.

3G – третье поколение

В то время, как продолжалось коммерческое внедрение и усовершенствование технологий второго поколения, активно велись работы по созданию нового — третьего поколения. И вот, в начале 2000-х годов, наконец была запущена в эксплуатацию сеть 3G (в России в 2002 году). Основой послужила технология CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением).

Третье поколение включает в себя целых 5 стандартов:

  • UMTS/WCDMA
  • CDMA2000/IMT-MC
  • TD-CDMA/TD-SCDMA
  • DECT
  • UWC-136

Первые два получили самое широкое применение в мире. Рассмотрим стандарты, используемые в России.

  • UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – универсальная сисема мобильной электросвязи) – технология, разработанная на основе WCDMA с целью внедрения 3G в Европейских странах. Успешно прижилась так же и в нашей стране. Работает в частотном диапазоне 2110-2200 МГц. Максимальная скорость передачи данных в режиме UMTS составляет около 2 Мбит/с, при условии, что принимающее устройство неподвижно. При движении абонента значительно падает, и в зависимости от скорости движения, может снизиться до 144 Кбит/с.
  • HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access— высокоскоростная пакетная передача данных от базовой станции к мобильному телефону) – самый первый из семейства протоколов сотовой связи HSPA (High Speed Packet Access — высокоскоростная пакетная передача данных). Основанный на UMTS технологии, он и последующие его версии, позволили значительно увеличить скорость передачи данных в сетях 3G. В первой реализации протокол HSDPA имел максимальную скорость передачи данных 1,2 Мбит/с. Скорость передачи данных в последующей версии протокола HSDPA составляла уже 3,6 Мбит/с. Дальнейшее развитие протокола HSDPA позволило увеличить скорость сначала до 7,2 Мбит/с, а затем, и до 14,4 Мбит/с.
  • HSPA+ – технология, базирующаяся в свою очередь на HSDPA, реализует более сложные методы модуляции сигнала (16QAM, 64QAM). HSPA+ в двухканальном режиме (DC-HSPA+) позволяет достигать скорости передачи данных до 42,2 Мбит/с.

4G – четвертое поколение

Сегодня, в мобильных сетях широко применяется технология уже четвертого поколения, причем не только в больших городах, но и в городах поменьше и даже деревнях. Переход к 4G был ознаменован внедрением новых стандартов передачи данных в беспроводных сетях, которые были разработаны совместными усилиями компаний Hewlett-Packard и NTT DoCoMo. Речь идет о стандартах WiMax и LTE. Далее подробнее о каждом из них.

WiMAX. Данный стандарт был разработан еще в 2001 году организацией WiMAX Forum. В состав данной организации входили такие производители, как Huawei Technologies, Samsung, Intel и многие другие известные компании. По сути технология WiMAX является продолжением всем знакомого стандарта беспроводной связи для локальных сетей Wi-Fi. Коммерческое применение для этой технологии впервые нашлось в Канаде в 2005 году.

LTE (Long-Term Evolution— долговременное развитие) концептуально является продолжением развития стандартов предыдущих поколений — GSM/UMTS и изначально к четвёртому поколению не относился, но на сегодняшний день именно этот стандарт является основным для сетей четвертого поколения. Разработанный крупнейшим в Японии оператором сотовой связи NTT DoCoMo, в десятом его релизе (LTE Advanced), данный стандарт был принят Международным союзом электросвязи как стандарт четвертого поколения, так как отвечал всем предъявляемым требованиям. Первый запуск коммерческой сети с поддержкой LTE был осуществлен в 2009 году в Швеции и Норвегии.

Максимально возможная скорость передачи данных по стандарту LTE составляет 326.4 Мбит/с, но это в теории. Что касается практики, то скорость передачи данных будет существенно зависеть от ширины диапазона частот, используемой оператором. Из российских операторов сотовой связи, на сегодняшний день, наибольшую ширину диапазона частот для сетей беспроводной связи, которая составляет 40 МГц, использует только Мегафон. Остальные компании, предоставляющие услуги сотовой связи, используют ширину канала 10 МГц.

Для сравнения, максимум скорости передачи данных в LTE-сетях в диапазоне частот 10 МГЦ составляет 75 Мбит/с, а предельная скорость в диапазоне 40 МГц может достигать 300 Мбит/с.

Есть еще такое понятие, как частотная полоса. Спецификации на такие частотные полосы называются бэндами (band). Всего таких спецификаций 70 и в разных странах для сетей LTE применяются разные спецификации. В России используются следующие 5:

  • band 3 FDD LTE в частотном диапазоне 1800 МГц;
  • band 7 FDD LTE в частотном диапазоне 2600 МГц;
  • band 20 FDD LTE в частотном диапазоне 800 МГц;
  • band 31 FDD LTE в частотном диапазоне 450 МГц;
  • band 38 TDD LTE в частотном диапазоне 2600 МГц.

В сетях LTE FDD (Frequency Division Duplex) используется метод частотного разделения, это означает, что загрузка и передача трафика осуществляется в разных частотных диапазонах. А в сетях LTE TDD (Time Division Duplex) используется метод разделения по времени, то есть входящий и исходящий трафик передаются в одном диапазоне частот, но в разные промежутки времени.

5G – пятое поколение

Работы по разработке стандартов для сетей беспроводной передачи данных пятого поколения, на момент написания статьи, еще ведутся. Основным спонсором исследований в этом направлении является один из крупнейших игроков на рынке сетевого оборудования — китайская компании Huawei Technologies. Начало работ по внедрению 5G прогнозируется в 2020 году. В опытных испытаниях технологий пятого поколения удавалось достичь скорости передачи данных 25 Гбит/с, и это значение почти на порядок выше того, что способна дать сеть четвертого поколения.

Поддержка стандартов мобильной беспроводной связи.

Оборудование базовых станций российских сотовых операторов обеспечивает поддержку стандартов всех поколений, начиная с 2G: GSM, GPRS, EDGE, WCDMA, UMTS, HSPA, LTE, LTE-Advanced. Это дает возможность получать доступ к сети Интернет с мобильных устройств как новых, так и предыдущих поколений. Обычно, устройства для доступа к беспроводной сети интернет, будь то телефон, usb-модем или роутер с поддержкой сим-карт, при подключении выбирают ту сеть, которая обеспечивает максимальный уровень сигнала. Но, на большинстве из них в настройках можно вручную установить ту сеть, к которой следует подключаться. Такая мера может быть оправдана в тех случаях, когда несмотря на высокий уровень сигнала LTE, наблюдается низкая скорость соединения, обусловленная высокой загруженностью оборудования базовой станции, и переключение на режим UMTS в некоторых случаях может помочь увеличить скорость передачи данных.

Третье поколение сотовой связи

В IMT-2000 (так принято называть 3G в профессиональной среде) входят пять стандартов: CDMA2000, W-CDMA, TD-CDMA/TD-SCDMA и DECT. Последний не является стандартом сотовой связи, так как он используется в домашней и офисной беспроводной телефонии. Остальные стандарты применяются для обеспечения связью владельцев мобильных телефонов. Все они имеют похожие спецификации. Интересно, что метод работы таких сетей был изобретён в СССР ещё в 1935 году. Однако долгое время данной технологией пользовались лишь военные. В гражданский сегмент она вышла только в середине 1980-ых годов, в силу необходимости развивать мобильную связь.

От 2G третье поколение в первую очередь отличалось повысившейся скоростью передачи данных. Если абонент стоит на месте, то он может скачивать данные на скорости около 2 Мбит/с. При неспешном шаге трафик загружается со скоростью примерно 384 Кбит/с. В транспортном средстве скорость падала ещё сильнее — до 144 Кбит/с.

С появлением смартфонов стало мало и вышеуказанных скоростей. Поэтому достаточно быстро стал популярным стандарт HSPA. Он ознаменовал собой приход поколения 3,5G. Наделенные его поддержкой сотовые телефоны научились передавать данные со скоростью 14,4 Мбит/с. И это было только начало! В дальнейшем стандарт совершенствовался, в результате чего теоретически оказалась достижима скорость 84 Мбит/с. В основе HSPA заложена многокодовая передача данных при сопоставимых размерах сот.

2.5G

Несмотря на то, что разработки третьего поколения сотовой связи стали вестись практически сразу после начала использования на коммерческой основе GSM, даже по сей день оно имеет крайне ограниченное распространение. Вместо него почти повсеместно доступно промежуточное поколение 2.5G, реализованное в виде стандарта GPRS.

Стандарт GPRS использует базовые станции GSM для передачи данных, что делает его внедрение достаточно простым. Кроме того, он настроен на пакетный обмен информацией, что подходит в первую очередь для доступа в Интернет, а также позволяет находиться все время подключенным к Сети и при этом принимать звонки по обычным каналам (при звонке соединение по GPRS временно приостанавливается, но не обрывается).

В целом, GPRS и был создан с целью реализовать понятие «мобильный Интернет». Необходимость доступа из сотовых сетей во Всемирную Паутину и различные корпоративные сети присутствовала уже достаточно давно. Так, к примеру, служащий какой-либо компании в случае возникновения потребности может срочно подключиться к сети своего предприятия при помощи ноутбука и мобильного телефона с поддержкой сервиса GPRS (которым сегодня оснащаются большинство аппаратов).

Тем не менее, скорость передачи данных при использовании GPRS оставляет желать лучшего. Официально максимальный его предел равен 115 кбит/с. Тем не менее, в реальности обмен информацией производится не быстрее, чем на скорости 40-50 кбит/с, что в два раза меньше теоретического максимума. По сегодняшним меркам такой пропускной способности не хватит для комфортного серфинга по Интернету. Как раз эту проблему и должны будут решить стандарты третьего поколения, чьи пропускные каналы будут куда как шире.

Четвертое поколение сотовой связи

В конце 2000-ых годов на свет стали появляться «айфоны» и «андроиды». Эти смартфоны отличались от предшественников крупным ЖК-дисплеем. Теперь уже никому не хотелось просматривать скромные WAP-странички. Отныне встроенных комплектующих вполне хватало для того, чтобы браузер без каких-либо проблем отображал полноценную страницу, насколько бы тяжелой она не было. Но для её быстрой загрузки требуется высокая скорость. Обеспечить её мог только совершенно новый стандарт. Активная популяризация 4G, или IMT-Advanced, началась в марте 2008 года.

Результатом работы ученых стали два стандарта: WiMAX и LTE. Сейчас вы сами знаете о том, какой из них получил наибольшее распространение. Внедрение LTE позволило существенно увеличить емкость каждой соты, хотя ареал её действия при этом уменьшился. Теперь минимальная скорость передачи данных составляла 100 Мбит/с, чего хватает большинству среднестатистических владельцев смартфон. В дальнейшем этот параметр вырос ещё сильнее. Случилось это за счет реализации технологии LTE-Advanced. В зависимости от категории поддерживаемой аппаратом технологии, может достигаться скорость 400 Мбит/с или даже 1 Гбит/с!

В отличие от предыдущих поколений, стандарт LTE изначально предназначался только для пакетной передачи данных. Но со временем стала доступной и цифровая передача голоса — за это ответственна технология VoLTE. Качество звука при этом гораздо выше, нежели при разговоре посредством сетей 2G или 3G. Однако до сих пор эту технологию поддерживают далеко не все смартфоны.

3G

Всего существует три основных стандарта 3G: UMTS (Universal Mobile Telecommunications Service), CDMA2000 и WCDMA (Wide CDMA). Все они настроены на пакетную передачу данных и, соответственно, на работу с цифровыми компьютерными сетями, включая Интернет. Скорость передачи данных в новом поколении стандартов может достигать 2,4 Мбит/с. Это позволит поднять качество звука, а также добавить такой сервис, как видеозвонок, о котором, вероятно, слышали уже многие. Мобильный Интернет теперь станет доступнее и значительно быстрее.

Кроме того, при необходимости сеть 3G может быть наложена на уже ранее развёрнутую GSM или другой стандарт второго поколения. Это возможно по причине использования разных радиосетей этими стандартами. В результате оператор мобильной связи может добавлять новые сервисы по мере появления необходимости в них. А по причине того, что на сегодняшний день все телефоны пока являются двухстандартными (то есть могут работать как в 2G, так и в 3G), у пользователей не возникнет проблемы выбора.

Пятое поколение сотовой связи

Сейчас идет активная разработка 5G. Возможностей LTE в плане передачи данных вполне хватает. Поэтому при разработке нового стандарта наибольший упор делается на ёмкость сот. Ведь количество абонентов растёт всё сильнее. Больше всего 5G облегчит жизнь создателям носимых устройств и девайсов, объединяющихся в систему «Умный дом». Ожидается, что только на площади в 1 км2 будет возможно подключение к сети одного миллиона гаджетов! По состоянию на начало 2020 года новое поколение только тестируется. Когда нас ждет полноценная его эксплуатация — не ясно.

2G — второе поколение

Относится к цифровым видам связи. Впервые было запущено в эксплуатацию финляндской компанией Radiolinja в 1991 году. 2G разделена на TDMA (временное разделение доступа) и CDMA (кодовое разделение каналов). Основным преимуществом 2G является кодировка данных. Также система 2G предоставила миру услуги СМС и ММС. Скорость связи составляет 14.4 Кбит/сек. 2G, также как и 1G, можно разделить на группы:

  • GSM (основан на TDMA) — изобретен в Европе. Используется практически во всех странах мира, в том числе и в России.
  • IS-95 или CDMAOne(основан на CDMA).Используется в некоторых районах Азии, в Северной и Южной Америке. Примерно 17% населения мира используют этот стандарт.
  • PDC (основан на TDMA). Данный тип связи используется только в Японии.
  • iDEN (основан на TDMA). Частная сеть, используется компанией Nextel из США и компанией Telus Mobility из Канады.
  • IS-136 или D-AMPS (основан на TDMA). Когда-то — очень распространенный тип связи в Северной и Южной Америке. Позже все же преобразовался в GSM.

Поддержка старых стандартов

Как известно, сотовым операторам приходится размещать на своих вышках гору оборудования. В теории можно было бы заменить 2G-передатчики на 3G-передатчики. Но сделать это — значит лишить связи владельцев мобильных телефонов, работающих только в стандарте GSM. Это привело бы к огромным убыткам, так как даже сейчас подобными аппаратами пользуется огромное число людей — все они тут же перешли бы к другому оператору. Вот и получается, что оборудование приходится дополнять, а не менять.

В обозримом будущем отказа от устаревших стандартов не случится. Объясняется это двумя причинами:

  • Кнопочные телефоны до сих пор производятся, а они зачастую не поддерживают даже 3G, не говоря уже о сетях четвертого поколения;
  • 2G-оборудование покрывает сетью более обширную территорию, нежели 3G- или 4G-передатчики аналогичной мощности — это позволяет избавить определенную территорию от «белых пятен».

Теперь вы знаете об основных отличиях разных стандартов. Если вкратце, то в первую очередь изменению подвергались ёмкость сот, ширина покрытия (каждый раз в меньшую сторону, так как таковы законы более высокочастотных сигналов) и скорость передачи данных.

2.5G и 2.75G — промежуточные поколения между 2G и 3G

К 2.5G относится:

  • GPRS (General Packet Radio Service пакетная радиосвязь общего пользования). Усовершенствованная версия GSM. GPRS предусматривает обмен информацией между пользователями GSM и внешними сетями, из них и интернет. Самое главное то, что тарификация ведется не по времени, а по объему использованной информации.
  • XRTT (One Times Radio Transmission Technology). Основана на CDMA-технологии. Возможная скорость передачи данных до 144 Кбит/сек. На деле скорость не превышает 60 Кбит/сек.

К 2.75G относится:

  • EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Усовершенствованная версия GPRS. Основана на GSM и TDMA. Стандарт EDGE был впервые представлен в 2003 году в Северной Америке.

LTE

Система LTE (Long Term Evolution, «долговременная эволюция») была разработана для того, чтобы предоставить пользователям доступ к всевозможным сервисам, а также к Интернету посредством протокола IP. Сеть LTE состоит из множества узлов. Все узлы сети принято делить на две категории: узлы, относящиеся к сети радиодоступа (Radio Access), и узлы опорной сети (Core Network). Ключевым элементом, определяющим эффективность любой радиосети, являются алгоритмы и механизмы, используемые для передачи данных между БС и МС. Далее рассматриваются основные характеристики сети LTE, относящиеся к сети радиодоступа.

Согласно требованиям к системе LTE, при радиусе соты до 5 км должны поддерживаться все параметры спектральной эффективности, пропускной способности и работы с мобильными абонентами. При радиусе соты от 5 до 30 км допускается ухудшение в показателях производительности.

Для обеспечения двунаправленной передачи данных между БС и МС технологией LTE поддерживается как частотный (FDD), так и временной дуплекс (TDD). Для частотного дуплекса определено 15 парных частотных диапазонов (частоты от 800 МГц до 3,5 ГГц), а для временного — восемь. При этом ширина радиоканала может быть различной. Допустимы следующие значения: 1,4/3/5/10/15/20 МГц.

В качестве систем множественного доступа в LTE используются OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) в нисходящем канале и SC-FDMA (Single Carrier Frequency Division Multiple Access) в восходящем. При использовании технологии OFDMA весь имеющийся спектр разбивается на поднесущие, ортогональные друг другу. В зависимости от используемой ширины канала общее количество поднесущих может быть 72, 180, 300, 600, 900 или 1200. Каждая из поднесущих может иметь свой вид модуляции. Могут использоваться следующие модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM.

Множественный доступ организуется за счет того, что одна часть поднесущих выделяется одному пользователю в кадре, другая часть — второму и т. д. Стандартом LTE (а именно, 3GPP TS 36.306) всего определяется 15 (версия документа от 27.03.2015) категорий мобильных устройств. Категория мобильного устройства задает максимальные скорости передачи в DL и UL. В таблице 2 приводятся значения скоростей передачи, поддерживаемые конфигурации MIMO (Multiple Input Multiple Output) и типы модуляций для каждой категории.

Т а б л и ц а 2 . Значения скоростей передачи, поддерживаемые конфигурации MIMO и типы модуляции

UE категорияDownlinkUplink
Максимальное количество бит в TTIМаксимальное количество бит в транспортном блокеMIMOПоддержка 64QAMМаксимальное количество бит в транспортном блоке
0100010001000
110296102965160
251024510242×225456
3102048753762×251024
4150752753762×251024
52995521497762×2, 4×4+75376
6301504149776 (4×4) 75376 (2×2)2×2, 4×451024
7301504149776 (4×4) 75376 (2×2)2×2, 4×4102048
829985602998568×8+1497760
9452256149776 (4×4) 75376 (2×2)2×2, 4×451024
10452256149776 (4×4) 75376 (2×2)2×2, 4×4102048
11603008149776 (4×4,64QAM)195816 (4×4, 256QAM) 75376 (2×2, 64QAM)97896 (2×2, 256QAM)2×2, 4×451024
12603008149776 (4×4,64QAM)195816 (4×4, 256QAM) 75376 (2×2, 64QAM)97896 (2×2, 256QAM)2×2, 4×4102048
13391632195816 (4×4) 97896 (2×2)2×2, 4×4+150752
1439165603916568×8+1497760
15749856–798800149776 (4×4,64QAM)195816 (4×4, 256QAM) 75376 (2×2, 64QAM)97896 (2×2, 256QAM)2×2, 4×4n/an/a
16978960–1051360149776 (4×4,64QAM)195816 (4×4, 256QAM) 97896 (2×2, 256QAM)2×2, 4×4n/an/a

По приведенным выше значениям можно примерно рассчитать максимальную скорость передачи. В нисходящем канале значения максимальной скорости передачи в зависимости от категории мобильной станции будут следующие: 10, 50, 100, 150, 300, 300, 300 Мбит/с и 3 Гбит/с. Для восходящего канала получаются следующие значения: 5, 25, 50, 50, 75, 50, 100 Мбит/с и 1,5 Гбит/с. На рис. 5 приведено распределение скоростей «вниз» и «вверх» по категориям LTE.

Мобильные устройства всех категорий поддерживают работу с каналом шириной до 20 МГц (кроме категории 0) и модуляцию 64QAM (кроме категории 0) в нисходящем канале. Категория 0 вводится специально для MTC (Machine Type Communications). Одно из основных требований в рамках MTC — очень низкое энергопотребление. Отсюда и жесткие ограничения на поддерживаемый набор функций на физическом уровне и размер буфера.

Основной плюс технологии OFDMA заключается в том, что она позволяет бороться при приеме сигнала с негативными эффектами, вызванными многолучевым распространением. Однако этой технологии также присущи и некоторые недостатки. Основные из них состоят в том, что данная технология очень чувствительна к синхронизации по частоте. Сгенерированный OFDMA-сигнал обладает высоким PAPR (Peak to Average Ratio). Это, в свою очередь, сказывается на том, что используемый усилитель сигнала будет работать в нелинейных участках своей характеристики. Поэтому его эффективность будет низкой, что достаточно критично для устройств с ограниченным запасом энергии (мобильных терминалов). Из-за этого в восходящем канале LTE используется другая технология множественного доступа, а именно SC-FDMA. Отличие SC-FDMA от OFDMA заключается в том, что в SC-FDMA используется дополнительная обработка сигнала для снижения PAPR. В SC-FDMA в качестве такой дополнительной обработки сигнала используется преобразование Фурье. В восходящем канале могут использоваться различные виды модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM.

Стандарт LTE также поддерживает технологию передачи MIMO, которая позволяет существенно увеличить пиковую скорость передачи данных и значение спектральной эффективности. Суть технологии MIMO заключается в том, что при передаче и приеме данных используется несколько антенн с каждой стороны. Разные антенны могут передавать одни и те же данные, в этом случае повышается надежность передачи данных, но не скорость передачи. Также разные антенны могут передавать различные потоки данных, при этом увеличивается скорость передачи данных. Максимально в нисходящем канале технологией LTE поддерживается схема 44. Это означает, что на передающей и приемной стороне используется по четыре антенны. В этом случае скорость передачи данных может быть увеличена до четырех раз (в действительности чуть меньше из-за увеличения количества пилотных сигналов).

При использовании технологии MIMO и ширине канала 20 МГц максимальная скорость передачи данных может достигать 300 Мбит/с в нисходящем канале и 170 Мбит/с в восходящем.

В требованиях к LTE значения спектральной эффективности указаны как 5 бит/с/Гц для нисходящего канала и 2,5 бит/с/Гц для восходящего канала (что соответствует скоростям передачи данных в 100 Мбит/с и 50 Мбит/с). При этом высокие показатели производительности должны поддерживаться для мобильных пользователей, перемещающихся со скоростью до 120 км/ч.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: