Что такое поколение сетей сотовой связи? | История мобильной связи | 1G | Беспроводные технологии | Стандарты беспроводной связи

Давайте помечтаем, какими будут поколения сотовой связи после 5g

5G только-только стал развиваться в некоторых странах, и его главные преимущества — это более высокая скорость передачи данных и большая емкость сети, что важно с учетом развития устройств интернета вещей. Все это стало возможным благодаря использованию миллиметровых волн.

Они имеют гораздо более высокие частоты (до пары десятков гигагерц), чем 2G, 3G и 4G, и это вынудило операторов переосмыслить принципы развертывания сетей 5G. Причина в том, что более высокая частота несущей позволяет передавать больше данных за единицу времени, но при этом сигнал затухает гораздо быстрее, и теперь приходится располагать базовые станции гораздо ближе друг к другу.

И хотя 5G только начал свое развитие, и очевидно что новое поколение будет постоянно развиваться и улучшаться, инженеры уже задумываются от 6G. Самая простая идея, которую можно использовать — это продолжить увеличивать частоту, и тем самым автоматически будет расти и скорость передачи данных. Но куда это нас приведет? Как в таком случае будут устроены 7G и 8G? И в какой момент эта экстраполяция на будущие поколения беспроводных сетей больше не будет иметь физического смысла?

Конечно, не стоит рассматривать информацию ниже даже как предположение. Это просто описание того, как будет выглядеть связь на более высоких частотах. Разумеется, будущие поколения сотовой связи будут стремиться к увеличению емкости сети и скорости, но исследователи будут разрабатывать и совершенствовать новые методы, чтобы получить больше пользы от тех же частот.

Так, например, уже существует технология агрегации частот, которая позволяет продвинутым смартфонам использовать сразу несколько диапазонов LTE и получать скорости в несколько сотен мегабит в секунду. Кто знает, что будет в будущем — возможно, ИИ будет «рулить» спектром частот, или придумают кардинально новый способ передачи данных. Ну а мы рассмотрим только чистую физику: увеличение частоты.

Читайте про операторов:  EDGE связь➤ Принцип действия технологии ❹ способа ее отключения

6G — терагерцевые волны


Терагерцевые сканеры уже используют в аэропортах.

Каждое новое поколение сотовой связи разрабатывается далеко не один год, и ученые уже предлагают идеи для реализации 6G. Многие склоняются к тому, что этот стандарт будет исправлять недостатки 5G и даст улучшения на количественном уровне. Так, например, 1G открыл нам мобильную телефонию, а 2G улучшил ее и исправил недостатки.

3G дал нам быстрый доступ в интернет, а 4G снизил задержки и увеличил емкость сети. 5G даст нам полноценный интернет вещей и беспроводной AR/VR, а 6G, по предположению, опять же должен дать нам более высокие скорости и, возможно, объединение с Wi-Fi.

Самый простой способ увеличить скорость — это перейти к терагерцевым волнам, от 300 ГГц до 3 ТГц. Это на порядок выше, чем рабочие частоты 5G, что приводит к определенным проблемам: если для миллиметровых волн пятого поколения мобильной связи нужно расставлять передатчики каждые 150 метров, то 6G снизит это расстояние до 10 метров. Иными словами, вышки 6G будут натыканы как роутеры в квартирах, что потенциально приведет к исчезновению Wi-Fi.

Но, с другой стороны, это позволит увеличить скорости до тысячи раз: до 1 терабита в секунду. Для понимания этой величины — вы загрузите с помощью 6G Мстителей: Финал в 4К всего за 7.7 секунды.

Кстати, противники 5G, считающие, что излучение от вышек убивает нас, будут довольны: терагерцевые волны практически полностью останавливаются верхними слоями кожи, так что никакого негативного влияния на организм человека они не несут.

7G — ультрафиолет


С УФ-излучением мы встречаемся каждый день, будучи на Солнце. В солярии стоят именно такие лампы.

Но, вполне возможно, когда 6G получит активное распространение (а это, скорее всего, конец 2020-ых и начало 2030-ых), 4K уже будет устаревшим стандартом, и будет активно развиваться 8K с повышенной частотой кадров и в 3D. Так что по 6G с всего-то терабитом в секунду снова придется качать такие фильмы десятки минут или даже час — непорядок, так что продолжаем развивать мобильную связь.

Дальше на очереди — видимый свет, его частоты простираются от 400 до 750 ТГц. Очевидно, не самая лучшая кандидатура для передачи информации, так как в таком случае обмен данными в прямом смысле слова будет нам мешать видеть. Поэтому идем дальше, в сторону ультрафиолетового излучения.

Помните все тех же противников 5G? Вот тут они будут ликовать: если все поколения вплоть до 6G являются неионизирующими, то есть их беспокойства беспочвенные, 7G будет еще как ионизирующим. Ведь мы загораем на Солнце именно благодаря ультрафиолету. Поэтому каждая вышка сотовой связи в этом плане будет как миниатюрное Солнце, и активные пользователи смартфонов будут в лучшем случае черными от загара, а в худшем — серьезно повысится количество больных раком кожи.

Однако, вполне возможно, что в этом стандарте связи вышки будут посылать сигналы не в разные стороны, а формировать луч до устройства. С одной стороны, это серьезно снизит дальность (только прямая видимость), с другой — пользователи не будут облучаться почем зря.

Что касается скоростей, то это уже десятки петабит в секунду. Все те же Мстители: Финал в 4K скачаются всего за 400 миллисекунд.

8G — рентген


С рентгеновским излучением в больнице встречались, думаю, многие читатели, так что описывать его нет смысла.

Помните мобильные приложения с «рентгеном», которые позволяют раздевать людей при наведении на них камеры? Так вот, с 8G это станет реальностью. Дальше за ультрафиолетом последует рентген, то есть волны с частотами от 2 петагерц до 60 эксагерц (в этих числах от 15 до 19 нулей) и длинами от 0.005 до 100 нм.

И в данном случае распространение информации с помощью луча не поможет — придется облачаться в защитный костюм, чтобы не получить ожоги кожи, лучевую болезнь или рак. С учетом того, что уже сейчас многие люди «живут» в интернете, я не буду особо удивлен, если через пару-тройку десятилетий большинство пользователей действительно согласятся носить защитную одежду, только чтобы получить более быстрый доступ в сеть.

Что касается скоростей, то они покажутся вам фантастикой: сотни эксабит в секунду, время закачки Мстителей в 4К (если их тогда, конечно, еще будет кто-то смотреть и раздавать в таком низком качестве) — 25 наносекунд.

9G — гамма-излучение


Взрыв водородной бомбы — самый доступный нам источник гамма-излучения.

Ладно, все, что написано выше — конечно, фантастика, но вполне реальная. Терагерцевые сканеры используются в аэропортах для безопасного сканирования людей. Рентген используется в больницах для более глубокого сканирования — например, для получения снимка перелома. Но вот дальше рентгена по частотам идет гамма-излучение. 

Его длины волн — десятитысячные доли нанометра, а частоты начинаются от десятка эксогерц. Единственный способ, который есть у человечества для создания такого излучения, это ядерный синтез. Короче говоря, при передаче информации с помощью «гаммы» будет использоваться такое же излучение, которое получается при взрыве водородной бомбы. К слову, оно же прилетает от взрывов сверхновых в далеком космосе (так называемые космические лучи).

Про какую-либо мобильную защиту от таких волн можно просто забыть: для того, чтобы вдвое ослабить такое излучение, потребуется свинцовый щит с толщиной в 2 сантиметра. А для ослабления хотя бы в сотню раз, до относительно безопасного уровня, толщину придется увеличить еще на порядок. 

Зато скорости определенно порадуют: десятки зеттабит в секунду (21 нолик). Время закачки Мстителей уже не отражает такую величину, поэтому перейдем к большим масштабам: вы сможете загрузить весь объем данных человеческой цивилизации примерно за 3 секунды. 

10G — финиш, гамма-лучи сверхвысоких энергий

Такие фотоны рождаются в очень редких катаклизмах галактического масштаба.

10G это конец. Если вы через полсотни лет на AliExpress найдете смартфон с поддержкой 11G — знайте, китайцы вас обманывают. Для этого поколения связи можно использовать гамма-лучи сверхвысоких энергий. Почему именно их? Да потому что физики пока не знают более высокочастотного излучения.

Очень редко из глубин космоса к нам прилетают настолько высокоэнергетические фотоны, что энергия каждого из них сравнима с пулей, выпущенной из пневматической винтовки. Так что при передаче данных с их помощью вам придется покупать смартфоны чаще, чем заряжать, ведь девайсы от такого обмена информацией будут разрушаться на физическом уровне. Кроме того, такие гамма-лучи имеют более чем достаточно энергии для того, чтобы разрушить ДНК, и укрыться от них в масштабах Земли практически нереально.

Что касается скорости… в общем, она будет квекбит в секунду. В СИ пока что официально даже нет такой приставки — все кончается на йотте с 24 нулями. В квекбите их 30. Такое значение просто невообразимо в масштабах нашего мира. Вы сможете играючи загружать всю информацию, собранную человечеством за все время существования, миллиарды раз в секунду. Про Мстителей даже заикаться нет смысла.

Вместо итогов

Конечно, все, описанное выше (кроме, возможно 6G) — чисто физика и не более того, и не стоит относиться к этому серьезно. Очевидно, что бездумное наращивание частот остановится куда раньше гамма-излучения и даже рентгена, и будут использоваться другие способы увеличения скорости. Но какие — покажет лишь будущее.

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.

Преимущества и недостатки 3g по сравнению с 2g

Преимущества 3G над 2G:

• Высокая эффективность использования канального ресурса. Рост пропускной способности сети.
• Сокращение мощности абонентских и базовых станций, что уменьшает помехи другим электронным устройствам.
• Простота частотного планирования, поскольку все базовые станции сети используют один и тот же канальный ресурс.
• Упрощение изменения скоростей передачи вверх и вниз для различных абонентов. Поддержка асимметричных видов передачи информации, таких как Интернет.
• Возможность реализации мягкого хэндовера. Сокращение числа обрывов связи из-за хэндовера. Повышение качества связи, особенно при передаче данных, видеосигналов и мультимедиа.
• Применение Rake приемника позволяет выделять и обрабатывать наиболее мощные сигналы при многолучевом распространении.
• Повышение качества передачи телефонии за счет устранения замираний при многолучевом распространении.
• Обеспечение высокой надежности связи факсимиле, Интернет сообщений.
• Простота передачи каналов управления.
• Облегчение реализации новых услуг: прием мультимедиа, высокоскоростных потоков данных, аудио- и видеоклипов.

Недостатки 3G:

• Необходимость синхронизации кодирующих последовательностей в приемниках. Требования к реализации когерентной обработки принятых сигналов.
• Необходимость быстрой регулировки мощности передатчиков мобильной и базовой станций.
• Зависимость дальности связи от скорости передачи и скорости передвижения абонента.

Пятое поколение мобильной связи (5g)

В настоящее время ведутся предкоммерческие и коммерческие запуски сетей 5G. Подробнее о запусках сетей 5G в России и мире можно ознакомиться по соответствующим ссылкам.

К сетям пятого поколения заявлены следующие требования (в сравнении с LTE):

– Рост в 10-100 раз скорости передачи данных в расчете на абонента;

– Рост в 1000 раз среднего потребляемого трафика абонентом в месяц;

– Возможность обслуживания большего (в 100 раз) числа подключаемых к сети устройств;

– Многократное уменьшение потребление энергии абонентских устройств;

– Сокращение в 5 и более раз задержек в сети;

– Снижение общей стоимости эксплуатации сетей пятого поколения.

Требования к сетям 5G в оцифрованном виде представлены по ссылке.

Более подробную информацию об эволюции сетей мобильной связи, текущем состоянии, трендах и перспективах ее развития читайте в новейшей книге-справочнике “Мобильная связь на пути к 6G”.

Стандарт мобильной связи 2g

2G (или 2–G) – это сокращение от сотовой сети второго поколения. Сотовые сети 2G были коммерчески запущены на стандарте GSM в Финляндии компанией Radiolinja (ныне часть Elisa Oyj) в 1991году.

Созданная в 1982 году в Европе рабочая группа, получившая название GSM
(спецгруппа по подвижной связи) приступила к изучению и последующей
разработке наземной системы связи для комплексного использования.

“Эстафету” в разработке и изучении к концу 80-х годов принял Европейский
институт стандартов в телекоммуникации. Именно тогда аббревиатура GSM
получила немного другое определение и стала именоваться как глобальная система
для подвижной связи.

Коммерцизация мобильных сетей началась только в начале 90-х годов прошлого
века. Основная отличительная особенность 2G от 1G – цифровая методика
передачи данных, а не аналоговая. Благодаря появлению новых технологий удалось
запустить сервис, позволяющий обмениваться текстовыми сообщениями (SMS) и
внедрить протокол WAP, благодаря которому у абонентов появилась возможность
выходить со своих мобильных устройств в Интернет.

Видя небывалую заинтересованность абонентов в мобильном интернете компании
стали активно разрабатывать и реализовывать в последствии сети новых
поколений. Так появилась сеть
2,5G и 2,7G
– это были своеобразные
промежуточные варианты, приближающие пользователей к заветной сети третьего
поколения.

2,5G работала на основании технологии GPRS и предполагала пакетную
мобильную связь общего пользования. В сети GPRS скорость передачи данных
была увеличена до 80 кбит/секунду, хотя разработчики обещали 172 кбит/секунду.

Далее появилась 2,7G, работающая на основе технологии EDGE, где скоростные
показатели уже достигли 150 кбит/секунду.

Стандарт сотовой связи третьего поколения – 3g

3G (3-Generation) – это cокращенное название третьего поколения беспроводной телефонной связи, которое является развитием предыдущих технологий 2G и характеризуется усовершенствованными беспроводными технологиями, такими как высокоскоростная передача данных, доступ к мультимедийным услугам, «бесшовным» роумингом.

Несмотря на то, что все работы по созданию новой технологии 3G начали вестись
еще в начале девяностых, мир о сети третьего поколения узнал только в начале
двухтысячных. В основе новой технологии был стандарт CDMA, разрешающий
многократный доступ с кодовым разделением.

Рассмотрим подробнее каждую технологию:
• UMTS
  Является универсальной технологией, которая была разработана специально для
  внедрения сети третьего поколения в европейских странах. Для работы
  применяется частотный диапазон в пределах 2110-2200 МГц со скоростью
  передачи данных, не превышающей 2 Мбит/секунду для абонента, который
  находится в одном и том же месте и не более 144 Кбит/секунду – для абонента в
  движении.
• HSDPA
  Высокоскоростной интернет с пакетной передачей данных от БС мобильному
  телефону. Первый представитель семейства высокоскоростного интернета, в
  основе которого технология UMTS. Благодаря этому протоколу и следующим его
  версиям удалось серьезно увеличить скорость передачи мобильных данных в 3G-
  сети. Изначально максимальная скорость по протоколу HSDPA не превышала 1,2
  Мбит/секунду, в более новой версии – доходила до 3,6 Мбит/секунду (самая
  популярная версия, которая до сих пор встречается во многих модемах).
  По мере совершенствования HSDPA протокола удалось достичь скорости передачи
  данных 7,2 Мбит/секунду и добиться пика в 14,4 Мбитсекунду. Новой версией
  технологии стала DC-HSDPA, где скоростные показатели доходили до 28,8
  Мбит/секунду.
• HSPA
  В основе данной технологии лежит HSDPA, основное отличие двух протоколов в
  более сложных методиках преобразования и передачи сигнала у HSPA .
  Предельная скорость, которая может быть при работе с протоколом HSPA – 21
  Мбит/секунду. Некоторые специалисты называют данную технологию 3,5G.
• DC-HSPA
  Усовершенствованная технология HSDPA, при которой удалось “разогнать” 3G до
  скорости в 42,2 Мбитсекунду. Ширина канала составляет 10 МГц, многие считают
  данный вариант двухканальной разновидностью HSPA , что соответствует 3,75G.

Каждое из устройств, которое поддерживает работу в сети 3G, может
беспрепятственно функционировать в стандартах двух других поколений. Тот же
модем Huawei E173, предназначен для работы со вторым и третьим поколениями
стандартов. Максимум, на котором может работать данная модель модема – 7,2
Мбит/секунду.

Однако следует учитывать, что теоретическая и реальная скорости отличаются,
причем не в пользу абонентов. Если в теории скорость составляет 3,6
Мбит/секунду, то на практике это будет показатель в 1-2 Мбит/секунду или если
заявлено 7,2 Мбит/секунду, то в реальности скорость не превысит 3,5
Мбит/секунду.

При этом реальная скорость во многом будет зависеть от уровня сигнала,
показателей загруженности базовой станции сотового оператора и других
факторов. Если рассматривать вариант покупки модема 3G, то лучше всего
обратить внимание на модель Huawei E3372, который может работать в сети
третьего поколения с поддержкой скорости передачи данных до 42,2
Мбит/секунду, но и сети 4G (теоретическая скорость доходит до 150
Мбит/секунду).

Табл. 1 характеристики аналоговых стандартов сотовой связи

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).

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.

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.

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.