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.