Технологии 2G, 3G, 4G, 5G, MIMO, агрегация частот, LTE, и LTE Advanced

Мобильная связь и доступ к интернету имеют чрезвычайную важность в современном мире со многими аспектами: это и возможность совершения звонков в любое время, и доступ к большому объему информации, и потребление развлекательного контента. Пребывание онлайн для современного пользователя – это необходимость для таких сфер жизни, как обучение или работа. Кроме того, просмотр новостей также происходит именно через интернет. Это означает, что мир невозможен без удобных и привычных для нас технологий, предоставляющих стандарты мобильных сетей.

Поколение мобильных сетей – это технологические стандарты, определяющие способ передачи данных и коммуникации между мобильными устройствами (такими как смартфоны, планшеты и т.п.), а также сетями связи. Каждое поколение мобильных сетей отличается определенными технологическими характеристиками, включающими скорость передачи данных, производительность, задержку и другие функции. На сегодняшний день существуют такие поколения мобильных сетей: 1G, 2G, 3G, 4G и 5G. Каждый стандарт вводится для улучшения качества связи, скорости передачи данных и расширения возможностей мобильных коммуникаций. В данной статье погрузимся в историю и вспомним, как происходила модернизация стандартов мобильной связи вплоть до сегодняшнего дня.

1G: Первая ступень сотовой связи

Это первое поколение беспроводных телефонных технологий и мобильных телекоммуникаций. Как стандарт мобильной связи, 1G был введен в эксплуатацию в 1980-х годах. Показатели загрузки данных на тот момент составляли от 2.9 Кбайт/с до 5.6 Кбайт/с. До появления 1G действовала технология радиотелефонной связи, которую условно называют стандартом 0G. Популярность поколения 1G длилась примерно одно десятилетие, но нехватка возможностей и низкая скорость подтолкнули мир к переходу на более совершенный к тому времени стандарт, известный нам как 2G.

2G: Начало цифровой связи

Более усовершенствованная технология возникла в начале 1990-х и полностью вытеснила предыдущее поколение сети. Главным отличием от 1G стал переход на цифровую систему, что позволило шифровать разговоры и отправлять SMS-сообщения.

Технологии, относящиеся к 2G:

• GSM
• CSD (wap)
• CDMA

Всем знакомые технологии EDGE/GPRS/CDMA 2000 – это усовершенствованные версии 2G, ставшие промежуточным этапом на пути к появлению 3G. Скорость передачи данных в этих стандартах составляла до 256 Кбит/с.

Хотя скорость передачи данных в стандарте 2G гораздо меньше, по сравнению с более поздними поколениями (3G, 4G и 5G), он все же поддерживает передачу данных для просмотра веб-страниц, отправки и получения электронной почты и других подобных операций. И именно стандарт 2G оказал существенное влияние на развитие мобильной связи, положив основу для последующих поколений сотовых технологий.

3G: Революция передачи данных

Разработка стандарта 3G происходила в 1992-1993 годах в США. Этот стандарт получил название IS-95 и был предназначен для работы в частоте 800 МГц. Начало применения этой сети пришлось на 1995-1996 годы, и первыми попробовали технологию на практике пользователи из Гонконга, США и Южной Кореи. Приблизительно в то же время происходила разработка стандарта UTMS, получившего наибольшую популярность в странах Европы и СНГ. В качестве основы для UTMS был положен стандарт W-CDMA, являющийся одной из вариаций технологии CDMA.

Постоянная модернизация технологий очень скоро позволила достичь скорости передачи данных до 2 Мбит/с, что стало грандиозным прорывом для мобильных сетей. В таких показателях работали технологии UTMS, CDMA2000xrel0 и WCDMA. Поскольку развитие никогда не стояло на месте, впоследствии возникли промежуточные технологии, приближавшие мир к стандарту 4G. Эти промежуточные этапы получили названия – 3.5G, 3.75G, 3.9G. Некоторые источники относят их уже к 4G, но все же полноценный 4G возник чуть позже.

Этапы перехода от 3G к 4-му поколению сети:

• HSPA+ - технология 3.5G стандарта, скорость загрузки данных которой достигает 21 Мбит/с.
• DC-HSPA+ – наиболее скоростная вариация 3G, приравненная к 3.75G. По своей сути это двухканальный HSPA+, ширина канала которого составляет 10 МГц. Этот стандарт характеризуется поддержкой технологии MiMO и открывает возможности самого быстрого интернета (скорость до 42,2 Мбит/с).
• Стандарт LTE – это максимально приближенная технология к 4-му поколению, но на самом деле она еще относится к 3G, а именно – 3.9G. Сюда относятся LTE категории 1, 2 и 3, скорость которых составляет до 100 Мбит/с.

Технология MiMo

Технология MiMo (Multiple Input, Multiple Output) – это метод беспроводной связи, использующий несколько антенн для передачи и приема данных одновременно. Обычно она используется в беспроводных сетях, таких как Wi-Fi, LTE и 5G, для повышения скорости передачи данных, снижения задержек и улучшения стабильности связи. Технология MiMo позволяет использовать множество каналов одновременно для повышения эффективности передачи данных и обеспечения лучшего качества связи, особенно в условиях с высокими уровнями помех.

Конфигурации MiMo:

• MiMo 1x1. Это базовая конфигурация, в которой есть одна антенна для передачи и одна для приема. Она может поддерживать только одновременную передачу или прием данных.
• MiMo 2x2. Это наиболее распространенная конфигурация, где есть две антенны для передачи и две для приема. Это позволяет использовать пространственную разницу между антеннами для повышения скорости передачи данных и обеспечения лучшего качества сигнала.
• MiMo 3x3, 4x4, 8x8 и т.д. Эти конфигурации используют соответственно три, четыре, восемь и т.д. антенн для передачи и приема сигнала Они предоставляют еще большую пропускную способность и могут поддерживать больше одновременных соединений и пользователей.

Каждый из этих вариантов MiMo может использоваться для повышения эффективности и надежности беспроводной связи в зависимости от конкретных потребностей и условий использования.

Агрегация несущих частот

Агрегация несущих частот – это процесс объединения или комбинирования нескольких несущих частот для передачи информации в системе связи или передачи данных. Этот подход обычно применяется для повышения эффективности доступного спектра частот.

Примером агрегации несущих частот может служить технология LTE-Advanced (LTE-A), использующая метод Carrier Aggregation (CA). В LTE-A разные частотные диапазоны объединяются для создания более широкого канала связи, что позволяет повысить скорость передачи данных и улучшить качество обслуживания пользователей. Например, два различных частотных диапазона могут быть объединены для передачи данных между базовой станцией и мобильным устройством, что увеличивает пропускную способность и скорость передачи данных для конечного пользователя.

Важным условием использования данной технологии является поддержка такой технологии базовой станцией и абонентским терминалом! То есть, в случае, если вы приобретаете роутер с поддержкой агрегации частот, а у вашей базовой станции есть только разделение по вертикальной и горизонтальной частоте – грандиозного роста скорости вы не получите.

LTE и LTE Advanced: Путь к 5G

Первые разработки технологии 4G начинались с 2000 года, но до внедрения этого стандарта во многих странах понадобилось десятилетие. Украина присоединилась к 4G еще позже – в 2018 году. Основой 4G стала технология усовершенствованного LTE, а именно – LTE Advanced. Существуют разные категории LTE, которые принадлежат к 4 поколениям, но характеризуются разной скоростью.

Категории 4G LTE:

• Кат. 4 (Cat.4): загрузка данных – 150 Мбит/с; передача данных – 50 Мбит/с (MiMO 2x2).
• Кат. 6 (Cat.6): загрузка данных – 300 Мбит/с; передача данных – 50 Мбит/с (MiMO и агрегация частот).
• Кат. 7 (Cat.7): загрузка данных – 300 Мбит/с; передача данных – 100 Мбит/с.
• Кат. 10 (Cat.10): загрузка данных – 450 Мбит/с; передача данных – 100 Мбит/с.
• Кат. 12 (Cat.12): загрузка данных – 600 Мбит/с; передача данных – 100 Мбит/с.

LTE Advanced Pro (LTE A-Pro) – это технология перехода от 4G к 5G, которая классифицирована как 4,5G. Она включает в себя категории 4G LTE – Cat. 17, 18, 19, 20, 21 и имеет максимальную теоретическую скорость передачи данных до 25 Гбит/с.

5G: Новая эра связи

Процесс разработки 5G начался в 2015 году. В это время Международный союз электросвязи создал план развития стандарта сети пятого поколения. Все эти годы проводилось тестирование первых разработок, а в 2018 году известный американский оператор Verizon объявил о запуске 5G. В то время 5G был приспособлен только для домашнего интернета. На сегодняшний день полноценная сеть доступна в Германии, Венгрии, Австрии, Италии и Великобритании. С 2019 года стандарт 5G частично работает в Швейцарии.

Следует отметить, что стандарт 5G не отменяет всех преимуществ и актуальности 4G. Оба поколения сетей развиваются и имеют перспективы на будущее.

• Особенность 5G – возможность масштабного функционирования «интернета вещей». Этот стандарт позволит подключать к сети десятки миллионов различных устройств. К примеру, это могут быть как «умные» чайники, так и беспилотные автомобили.
• Пятое поколение сети открывает множество путей применения электрических систем в экономических сферах. Например, это может быть использование роботов в промышленности или удаленное управление техникой для сельского хозяйства.
• В стандарте 5G используются 2 диапазона электромагнитных волн – FR-1 (600-6000 МГц) и FR2 (24-100 ГГц). Сюда включена технология Massive MiMO, означающая использование многоэлементных цифровых антенных решеток, а количество антенных элементов составляет 128, 256 и более.

Если сказать в общем, отличие 5G от 4G заключается в работе на более высоких частотах – это 24-100 ГГц.

6G: Заглянем в будущее

Поколение сети 6G уже находится в разработке, но его запуск может произойти только в период со второй половины 2020-х до начала 2030-х годов. За основу будут взяты телекоммуникационные стандарты, присущие технологии 5G.

Что планируют реализовать в технологии 6G:

• Скорость отправки данных от 100 Гбит/с до 1 Тб/с.
• Возможность использования радиофотонных цифровых антенных решеток на базовых станциях в сочетании с технологией Massive MiMO.
• Обеспечение функционирования сети в терагерцовых и субтерагерцовых диапазонах.
• Технология будет использоваться для установления связи с беспилотными летающими аппаратами и передачи данных для авиации, а также для связи со спутниками низких орбит.

Первой страной-тестировщиком сети 6G стал Китай, запустив тестовый спутник в терагерцовом диапазоне электромагнитных волн. Это событие произошло в ноябре 2020 года.

Ожидаем, что новейшие поколения сетей изменят мир и внесут огромный полезный вклад в жизнь и деятельность всего мира, как в свое время произошло с появлением уже привычных нам технологий – 3G и 4G.