Технології 2G, 3G, 4G, 5G, MIMO, агрегація частот, LTE, і LTE Advanced

Мобільний зв'язок та доступ до Інтернету мають надзвичайну важливість у сучасному світі з багатьма аспектами: це і можливість здійснення дзвінків у будь-який час, і доступ до великого обсягу інформації, і споживання розважального контенту. Перебування «онлайн» для сучасного користувача – це необхідність для таких сфер життя, як навчання чи робота. Крім того, переглядання новин також відбувається саме через мережу Інтернет. Це означає, що світ неможливий без зручних і звичних для нас технологій, які надають стандарти мобільних мереж.

Покоління мобільних мереж - це технологічні стандарти, які визначають спосіб передачі даних та комунікації між мобільними пристроями (такими як смартфони, планшети тощо), а також мережами зв'язку. Кожне покоління мобільних мереж відзначається певними технологічними характеристиками, які включають швидкість передачі даних, продуктивність, затримку та інші функції. На сьогодні існують такі покоління мобільних мереж: 1G, 2G, 3G, 4G та 5G. Кожен стандарт вводиться з метою покращення якості зв'язку, швидкості передачі даних та розширення можливостей мобільних комунікацій. В даній статті зануримось в історію та згадаємо, як відбувалась модернізація стандартів мобільного зв’язку аж до сьогодення. 

1G: Перша ступінь стільникового зв’язку

Це перше покоління бездротових телефонних технологій та мобільних телекомунікацій. Як стандарт мобільного зв’язку, 1G було введено в експлуатацію у 1980-х роках. Показники завантаження даних на той момент складали від 2.9 КБайт/с до 5.6 КБайт/с. До появи 1G діяла технологія рухомого радіотелефонного зв’язку, яку умовно називають стандартом 0G. Популярність покоління 1G тривала приблизно одне десятиріччя, але брак можливостей та низька швидкість підштовхнули світ до переходу на більш досконалий на той час стандарт, відомий нам як 2G.

2G: Початок цифрового зв’язку

Більш вдосконалена технологія виникла на початку 1990-х років та повністю витіснила попереднє покоління мережі. Головною відмінністю від 1G став перехід на цифрову систему, що дозволило шифрувати розмови та відправляти смс-повідомлення. 

Технології, що відносяться до 2G:

• GSM
• CSD (wap)
• CDMA

Всім знайомі технології EDGE/GPRS/CDMA 2000 – це вдосконалені версії 2G, що стали проміжним етапом на шляху до появи 3G. Швидкість передачі даних в цих стандартах складала до 256 Кбіт/с. 

Хоча швидкість передачі даних у стандарті 2G набагато менша у порівнянні з пізнішими поколіннями (3G, 4G і 5G), він все ж таки підтримує передачу даних для перегляду веб-сторінок, відправки та отримання електронної пошти та інших подібних операцій. І саме стандарт 2G суттєво вплинув на розвиток мобільного зв'язку та заклав основу для наступних поколінь стільникових технологій.

3G: Революція передачі даних

Розробка стандарту 3G відбувалась у 1992-1993 роках у США. Цей стандарт отримав назву IS-95 та був призначений для роботи у частоті 800 МГц. Початок застосування цієї мережі прийшовся на 1995-1996 роки, і першими спробували технологію на практиці користувачі з Гонконгу, США та Південної Кореї. Приблизно у той же час відбувалась розробка стандарту UTMS, який отримав найбільшу популярність у країнах Європи та СНД. В якості основи для UTMS було покладено стандарт W-CDMA, який є одною з варіацій технології CDMA.

Постійна модернізація технологій дуже скоро дозволила досягнути швидкості передачі даних до 2 Мбіт/с, що вже стало грандіозним проривом для мобільних мереж. В таких показниках функціонували технології UTMS, CDMA2000xrel0 та WCDMA. Оскільки розвиток ніколи не стояв на місці, згодом виникли проміжкові технології, які наближували світ до стандарту 4G. Ці проміжкові етапи отримали назви – 3.5G, 3.75G, 3.9G. Деякі джерела відносять їх вже до 4G, але все ж таки повноцінний 4G виник трохи пізніше. 

Етапи переходу від 3G до 4-го покоління мережі:

1. HSPA+ - технологія 3.5G стандарту, швидкість завантаження даних якої сягає до 21 Мбіт/с.
2. DC-HSPA+ - найбільш швидка варіація 3G, прирівняна до 3.75G. За своєю суттю, це двоканальний HSPA+, ширина каналу якого становить 10 МГц. Цей стандарт характеризується підтримкою технології MiMO та відкриває можливості найшвидшого інтернету (швидкість до 42,2 Мбіт/с).
3. Стандарт LTE – це максимально наближена технологія до 4-го покоління, але насправді ще відноситься до 3G, а саме - 3.9G. Сюди відносяться LTE категорій 1, 2 та 3, швидкість яких складає до 100 Мбіт/с. 

Технологія MiMo

Технологія MiMo (Multiple Input, Multiple Output) - це метод бездротового зв'язку, який використовує кілька антен для передачі та прийому даних одночасно. Зазвичай вона застосовується в бездротових мережах, таких як Wi-Fi, LTE та 5G, для підвищення швидкості передачі даних, зниження затримок та покращення стабільності зв'язку. Технологія MiMo дозволяє використовувати множину каналів одночасно для підвищення ефективності передачі даних та забезпечення кращої якості зв'язку, особливо в умовах з високими рівнями перешкод.

Конфігурації MiMo:

• MiMo 1x1. Це базова конфігурація, в якій є одна антена для передачі та одна для прийому. Вона може підтримувати тільки одночасну передачу або прийом даних.
• MiMo 2x2. Це більш поширена конфігурація, де є дві антени для передачі та дві для прийому. Це дозволяє використовувати просторову різницю між антенами для підвищення швидкості передачі даних та забезпечення кращої якості сигналу.
• MiMo 3x3, 4x4, 8x8 і т.д. Ці конфігурації використовують відповідно три, чотири, вісім і т.д. антен для передачі та прийому сигналу. Вони надають ще більшу пропускну здатність та можуть підтримувати більше одночасних з'єднань та користувачів.

Кожен з цих варіантів MiMo може бути використаний для підвищення ефективності та надійності бездротового зв'язку в залежності від конкретних потреб та умов використання.

Агрегація несучих частот 

Агрегація несучих частот - це процес об'єднання або комбінування декількох несучих частот для передачі інформації в системі зв'язку або передачі даних. Цей підхід зазвичай застосовується для підвищення ефективності використання доступного спектру частот.

Прикладом агрегації несучих частот може бути технологія LTE-Advanced (LTE-A), яка використовує метод Carrier Aggregation (CA). В LTE-A різні частотні діапазони об'єднуються для створення більш широкого каналу зв'язку, що дозволяє підвищити швидкість передачі даних та покращити якість обслуговування користувачів. Наприклад, два різних частотних діапазонів можуть бути об'єднані для передачі даних між базовою станцією та мобільним пристроєм, що збільшує пропускну здатність і швидкість передачі даних для кінцевого користувача.

Важливою умовою для використання даної технології є підтримка такої технології базовою станцією та абонентським терміналом! Тобто, у разі, якщо ви купуєте роутер з підтримкою агрегації частот, а у вашої базової станції є тільки розділення за вертикальною та горизонтальною частотою – грандіозного зросту швидкості ви не отримаєте. 

LTE та LTE Advanced: Шлях до 5G

Перші розробки технології 4G починались аж з 2000 року, але до впровадження цього стандарту у багатьох країнах минуло майже 10 років. Україна приєдналась до 4G ще пізніше – в 2018 році. Основою 4G стала технологія вдосконаленого LTE, а саме – LTE Advanced. Існують різні категорії LTE, які належать до 4 покоління, але характеризуються різною швидкістю. 

Категорії 4G LTE:

• Кат. 4 (Cat.4): завантаження даних – 150 Мбіт/с; передача даних – 50 Мбіт/с (MiMO 2x2).
• Кат. 6 (Cat.6): завантаження даних – 300 Мбіт/с; передача даних – 50 Мбіт/с (MiMO та агрегація частот).
• Кат. 7 (Cat.7): завантаження даних – 300 Мбіт/с; передача даних – 100 Мбіт/с.
• Кат. 10 (Cat.10): завантаження даних – 450 Мбіт/с; передача даних – 100 Мбіт/с.
• Кат. 12 (Cat.12): завантаження даних – 600 Мбіт/с; передача даних – 100 Мбіт/с.

LTE Advanced Pro (LTE A-Pro) – це технологія «переходу» від 4G до 5G, яка класифікована як 4,5G. Вона включає в себе категорії 4G LTE – Cat. 17, 18, 19, 20, 21 та має максимальну теоретичну швидкість передачі даних до 25 Гбіт/с. 

5G: Нова ера зв'язку

Процес розробки 5G почався у 2015 році. Саме тоді Міжнародний союз електрозв’язку створив план розвитку стандарту мережі п’ятого покоління. Всі ці роки проводилось тестування перших розробок, а у 2018 році відомий американський оператор Verizon оголосив про запуск 5G. На той час 5G був пристосований лиш для домашнього інтернету. На сьогодні повноцінна мережа доступна у Німеччині, Угорщині, Австрії, Італії та Великобританії. З 2019 року стандарт 5G частково функціонує у Швейцарії. 

Варто відзначити, що стандарт 5G не відміняє всіх переваг та актуальності 4G. Обидва покоління мереж розвиваються та мають перспективи на майбутнє. 

• Особливість 5G – можливість масштабного функціонування «інтернету речей». Цей стандарт дозволить підключати до мережі десятки мільйонів різноманітних пристроїв. Наприклад, це можуть бути як «розумні» чайники, так і безпілотні автомобілі.
• П’яте покоління мережі відкриває безліч шляхів для застосування електричних систем у економічних сферах. До прикладу, це може бути використання роботів у промисловості або віддалене керування технікою для сільського господарства.
• У стандарті 5G використовуються 2 діапазони електромагнітних хвиль – FR-1 (600-6000 МГц) та FR2 (24-100 ГГц). Сюди включена технологія Massive MiMO, що означає використання багатоелементних цифрових антенних решіток, а кількість антенних елементів становить 128, 256 та більше. 

Загалом, відмінність 5G від 4G полягає в роботі на більш високих частотах – це 24-100 ГГц. 

6G: Зазирнемо у майбутнє

Покоління мережі 6G вже знаходиться у розробці, але його запуск може відбутись лиш в період з другої половини 2020-х до початку 2030-х років. За основу буде взято телекомунікаційні стандарти, притаманні технології 5G.

Що планують реалізувати у технології 6G:

• Швидкість відправлення даних від 100 Гбіт/с до 1 Тб/с.
• Можливість використання радіофотонних цифрових антенних решіток на базових станціях у поєднанні з технологією Massive MiMO.
• Забезпечення функціонування мережі у терагерцовому та субтерагерцовому діапазонах.
• Технологія буде використовуватись для встановлення зв’язку з безпілотними літаючими апаратами та для передачі даних для авіації, а також для зв’язку з супутниками низьких орбіт.

Першою країною-тестувальником мережі 6G став Китай, запустивши тестовий супутник у терагерцовому діапазоні електромагнітних хвиль. Ця подія відбулась у листопаді 2020 року. 

Очікуємо, що новітні покоління мереж змінять світ та зроблять величезний корисний вклад у життя та діяльність всього світу так, як свого часу відбулось з появою вже звичних для нас технологій – 3G та 4G.