Виды интернет связи мобильных телефонов

Пользуясь мобильным интернетом, вы, конечно, замечали, что при установленном соединении в верхней панели быстрого доступа на телефоне появляются разные буквы и аббревиатуры: H, H+, LTE, 3G, 4G и другие. Они обозначают тип соединения, от которого зависит скорость передачи и приёма данных.

Расшифровка обозначений и характеристика типов соединения

Зная расшифровку обозначений и основные параметры каждого типа соединения, вы можете понять, какой скорости ожидать при имеющемся уровне сигнала. В большинстве случаев мобильное устройство само выбирает наиболее быстрый из доступных протоколов связи и даёт возможность пользоваться интернетом через него.

На выбор типа сетевого соединения влияют следующие факторы:

• место, где вы находитесь: в закрытых помещениях или на большом расстоянии от крупных городов наиболее современные и быстрые протоколы (например, 4G) могут быть недоступны, и устройство подберёт тот тип соединения, который будет работать, хоть и медленно;
• используемый тариф: многие тарифы не предусматривают использование высокоскоростного протокола 4G, разрешая подключение лишь к 3G и более медленным типам соединения;
• технические характеристики устройства: не все мобильные устройства поддерживают максимальную скорость доступа к сети, поэтому для того, чтобы узнать, сколько мегабайт в секунду способен отправлять ваш телефон, нужно ознакомиться с документацией на официальном сайте компании-производителя.

3G

Альтернативные названия — 3rd Generation и UMTS. Это наиболее распространённый формат интернет-соединения в наши дни. Цифра «3» обозначает третье поколение протоколов связи. Изначально скорость соединения этого типа не превышала 384 Кбит/с, но теперь при благоприятных условиях она может достигать 21 Мбит/с. Однако чаще всего на телефоне или планшете вы получите скорость до 2 Мбит/с.

К достоинствам режима 3G можно отнести то, что он уступает по скорости только 4G-соединению, но при этом доступен практически везде. Но если вы движетесь на машине или в поезде быстрее 30 км/ч, то скорость соединения начинает снижаться.

H, 3.5G, H+, 3G+

Тип H является улучшенной версией 3G, основанной на технологии HSDPA — High Speed Downlink Packet Access. H+, 3.5G и 3G+ также являются надстройками над режимом 3G, использующими протокол HSPA+. Они позволяют развивать более высокую скорость передачи данных: в идеальных условиях при использовании двухканального варианта протокола HSDPA — до 21 Мбит/с , а в базовой моноканальной версии протокола HSPA+ — до 22 Мбит/с. В реальности, однако, скорость в обоих протоколах обычно не превышает 3,8 Мбит/с.

3.75G

Этот вариант редко можно увидеть, так как телефоны обычно не отображают его на панели состояния, хотя реально используют. Соединение осуществляется по протоколу DC-HSPA+ — улучшенному варианту HSPA. Максимальная скорость его в два раза выше, чем у варианта H — 42 Мбит/с, так как в нём реализовано двухканальное взаимодействие. Лучшие показатели сетей этого типа соизмеримы со средними показателями 4G-соединения.

4G, LTE

4G (сети четвёртого поколения) — самые быстрые из доступных на данный момент. Но только если в них реализован протокол LTE (Long Term Evolution). Изначально в сетях 4G применялась технология WiMAX, и скорость их не превышала 40 Мбит/с. Но сегодня уже практически все операторы связи используют протокол LTE.

Существует два вида LTE-сединений: LTE FDD и LTE TDD. Основное их различие — распределение доступного диапазона частот. Но независимо от того, какой вариант протокола используется, скорость передачи данных теоретически может достигать величины от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с, а в реальности — больше 40 Мбит/с.

Сети 4G, однако, имеют ряд недостатков:

• стоимость доступа к интернету в них выше, чем в сетях 3G, поэтому переходить на тариф, поддерживающий 4G, стоит только в том случае, если вы загружаете большие файлы или смотрите видео через мобильный интернет;
• зона покрытия, то есть территория, на которой доступно 4G-соединение, намного меньше, чем у 3G, так что будьте готовы к тому, что останетесь без быстрого интернета, если отправитесь за город.

Ниже показаны зоны покрытия сетей 3G и 4G на территории России. В верхней части — зона покрытия 4G, в нижней — 3G. Видно, что покрытие территории сетью 3G значительно более плотное, особенно на большом расстоянии от крупных городов.

4G+, LTE-A

Стандарт 4G+ является следующим этапом развития сетей на основе 4G-протокола и поддерживает технологию LTE-Advanced. Она позволяет объединять используемые частоты, в результате чего скорость соединения увеличивается.

Максимальная скорость зависит от конкретной реализации возможностей LTE-A оператором связи. В некоторых случаях можно получить до 450 Мбит/с, что превышает скорость проводных соединений.

G (General Packet Radio Service)

Очень старый стандарт, который в своё время позиционировался как усовершенствованная версия 2G — его называли 2.5G. Работает по протоколу GPRS — улучшенной версии протокола GSM.

Это, безусловно, самый медленный вид связи из всех описанных, так как максимальная скорость его не превышает 200 Кбит/с. Страница обычного сайта без большого количества изображений и других медиаэлементов будет загружаться в этом режиме около минуты. Зато подключиться к такой сети иногда удаётся там, где недоступны 3G и 4G.

E (или EDGE — Enhanced Data Rates for GSM Evolution)

EDGE — это ещё не 3G, но уже ближе к нему. Второе название этого варианта — 2.75G. Этот прокол появился после G. Он способен обеспечить максимальную скорость около 300–400 Кбит/с.

Видео: сравнение скорости 3G и 4G соединений

Самый быстрый интернет в наши дни доступен по соединению 4G+ или 4G . Второй по скорости вариант — 3G+ и H+, затем H и 3G. Самые медленные варианты, работающие чуть-чуть быстрее обычного 2G-протокола, — G и E. При этом зона покрытия интернета, использующего самую современную технологию, относительно невелика, а поймать сеть 3G, G или E можно в большинстве населённых пунктов страны.

Интернет: как это работает

1G — 2G — 3G и далее

   Сеть GSM c поддержкой GPRS

   Варианты использования технологии GPRS для доступа к Интернету

WAP

   Принцип работы WAP

   Стек протоколов WAP

   Эволюция WAP (WAP 1х — WAP 2.0)

   Перспективы WAP в сетях 3G

Развитие беспроводного Интернета стало возможным в первую
очередь благодаря широкому распространению мобильных сотовых телефонов и персональных
цифровых помощников PDA, которые составляют сегодня базу для мобильного Интернета.

уществуют
две схемы для выхода в Интернет с сотового телефона. В первом случае вы получаете
Интернет-доступ с мобильного телефона, используя его мини-дисплей и встроенный
мини-браузер, а во втором вы задействуете мобильный телефон в виде модема, подключаете
к нему ноутбук и пользуетесь обычным браузером для просмотра Web-страниц (рис.
1).

Первое решение, опирающееся на терминальные возможности сотового телефона,
связано с существенными ограничениями. Мобильный телефон имеет малую мощность,
небольшой объем памяти, ограниченные возможности мини-браузера. Для того чтобы
задействовать данные ресурсы сотового телефона, был разработан специальный беспроводной
протокол Wireless Application Protocol (WAP). Владелец WAP-телефона подключается
к базовой станции, происходит авторизация пользователя и через сетевой шлюз
устанавливается соединение с Интернетом (рис. 1).

До последнего времени, пользуясь сотовым телефоном с поддержкой WAP-протокола
в GSM-сетях, можно было получить доступ в Интернет на очень низкой скорости
— не более 9,6 Кбит/c. На такой скорости можно просматривать лишь очень упрощенные
текстовые варианты Web-страниц. На базе таких страниц могут быть построены упрощенные,
но тем не менее весьма востребованные сервисы: сообщения о курсе валют, сведения
о погоде и т.п. Поскольку набрать адрес URL на небольшой клавиатуре мобильного
телефона трудно, провайдеры услуг часто дают пользователям настроить WAP-портал
в соответствии с их потребностями. При этом доступ становится удобным, поскольку
пользователям нужно нажимать минимальное число клавиш, чтобы получить доступ
к ограниченному набору избранных WAP-ресурсов.

Одно из современных решений, обеспечивающее более высокую скорость доступа в
Интернет с сотового телефона, связано с технологией GPRS (General Packet Radio
Service — пакетная радиосвязь общего назначения), позволяющей существенно повысить
скорость передачи данных. GPRS стала первой технологией передачи данных, предоставляющей
мгновенный мобильный доступ в Интернет. Используя сотовый телефон как GPRS-модем,
уже сегодня можно выходить в Интернет с ноутбука и работать при скорости передачи
данных, соизмеримой с теми, что обеспечивает обычный модем на десктоп-компьютере.

Прежде чем перейти к рассмотрению технологий доступа в Интернет, представленных
на рис. 1, поговорим о развитии стандартов мобильной связи.

1G — 2G — 3G и далее

тандарты
мобильной связи принято делить на поколения. К первому (The 1st Generation,
1G) относятся аналоговые стандарты, которые постепенно ушли в прошлое.

Говоря о втором поколении, прежде всего следует упомянуть стандарт GSM (Global
System for Mobile Communications — глобальная система связи с подвижными объектами),
являющийся сейчас самым популярным стандартом сотовой связи в мире и, что важно
для нас, де-факто беспроводным телефонным стандартом в Европе. Сотовые сети
стандарта GSM — это цифровые сети, в которых может передаваться не только оцифрованная
речь, но и любые цифровые данные. Большинство операторов GSM-сетей имеют договоры
по роумингу. На GSM приходится свыше 60% мирового рынка сетей мобильной связи,
а количество абонентов составляет более 700 млн. человек.

Первые сети GSM появились в начале 90-х годов. В то время основной их задачей
было обеспечение услуг речевой связи на более высоком уровне по сравнению с
существовавшими ранее аналоговыми сотовыми системами. Технология GSM способствовала
популяризации сотовой связи в сфере бизнеса за счет предоставления возможности
шифрования передаваемой информации и роуминга по всей Европе.

Важным шагом развития GSM было введение услуг пересылки коротких сообщений (Short
Message Service, SMS) и передачи данных. С середины 90-х годов начали бурно
развиваться услуги передачи данных, и прежде всего SMS-служба. Сегодня пользователи
систем GSM могут посылать друг другу короткие сообщения непосредственно с телефона
или через компьютерные сети. Абоненты сетей GSM могут посредством мобильного
модема получать доступ к компьютерным системам своих офисов и могут посылать
и принимать сообщения электронной почты. Одним из основных недостатков сетей
сотовой связи стандарта GSM для передачи данных является низкая скорость передачи
и тот факт, что биллинг осуществляется исходя из времени соединения по тарифам,
мало отличающимся от речевых.

Физические свойства каналов GSM не позволяют обмениваться данными со скоростью
свыше 9,6 Кбит/с. Для передачи речи и текстовых сообщений такой скорости вполне
достаточно, а для качественной графики — нет.

Возможности мобильного доступа в Интернет были существенно расширены с переходом
на использование технологии GPRS (General Packet Radio Service) и будут кардинально
увеличены в высокопроизводительных сотовых сетях следующего, третьего поколения
(3G), к которому относится стандарт UMTS (рис. 2).

Европейская технология мобильной связи третьего поколения UMTS предлагает надежную
передачу голоса, текста и потокового видео. В рамках этой технологии связь может
быть организована и с обязательным установлением соединения, и с коммутацией
пакетов, как в сетях GPRS.

UMTS предоставляет скорость передачи данных 2 Мбит/с для неподвижных пользователей,
384 Кбит/с для пешеходов и 144 Кбит/с для пользователей, находящихся в движущемся
транспорте.

Поскольку функциональные возможности сети GPRS скромнее, чем у полноценной сети
третьего поколения, данный стандарт получил название 2,5G, отражающее ее переходное
состояние от второго поколения к третьему.

Необходимо отметить, что по мере внедрения сетей поколения 2,5G-3G происходит
интеграция устройств, передающих голос и данные. Персональные коммуникаторы
интегрируют в себе возможности сотового телефона и мобильного ПК (рис.
3).

Достоинством технологии GPRS является возможность создания высокоскоростной
передачи данных на базе имеющихся сетей GSM. Для этого достаточно дооснастить
оборудование оператора дополнительными функциональными блоками, что намного
дешевле, чем создавать новую сеть базовых станций. При этом следует отметить,
что внедрение GPRS требует новых терминалов, поддерживающих более высокую скорость
передачи данных. В отличие от GPRS, развертывание сетей UMTS возможно только
на собственной базе; использовать установленное оборудование стандартов GSM
не удастся.

Рассмотрим технологию GPRS несколько подробнее (GPRS — протокол пакетной коммутации
для сетей стандарта GSM). Она реализуется в существующих сотовых сетях GSM в
виде дополнительного сетевого уровня. В 2001 году сервис GPRS имелся в наличии
в большинстве европейских сетей GSM.

Сеть GSM c поддержкой GPRS

Сеть GSM c поддержкой GPRS является сетью с коммутацией пакетов. Как известно,
в сетях с пакетной коммутацией передаваемая информация разбивается на отдельные
пакеты, которые могут передаваться по разным каналам; при этом неверно принятые
пакеты запрашиваются повторно. На стороне получателя из пакетов конструируется
исходное сообщение. Технология GPRS гарантирует постоянную связь с Интернетом.

Благодаря принципу совместного применения каналов в GPRS-технологии достигается
более высокая скорость передачи данных, чем в сетях GSM (основанных на коммутации
каналов), когда канал полностью блокируется независимо от того, ведется в данный
момент передача данных или нет. В технологии GPRS необходимый канальный ресурс
выделяется лишь на время передачи соответствующих информационных пакетов. GPRS
позволяет использовать короткие временные интервалы каналов, выделенных для
передачи голосовых данных. Каналы, применяемые для передачи речи, могут одновременно
использоваться и для передачи пакетов данных протокола IP.

В принципе, большое количество абонентов, одновременно получающих данные из
Интернета на высокой скорости, могут исчерпать запас свободных каналов в соте,
поэтому сети GPRS в основном пригодны для режима чтения Web-страниц по схеме
«быстрая загрузка — длительное чтение» с освобождением каналов на втором этапе.
Использование Интернет-услуг в режиме вещания будет приводить к перегрузке сети.

Мобильные телефоны с поддержкой GPRS разделяются на классы в зависимости от
возможностей по одновременной передаче голоса в стандарте GSM и данных в стандарте
GPRS:

• класс А — устройства этого класса могут одновременно передавать голос и данные;

• класс B — аппараты автоматически переключаются в режим передачи голоса или
данных (например, при поступлении звонка);

• класс C — переключение таких телефонов между голосовым режимом и режимом передачи
данных осуществляется вручную.

Важной особенностью GPRS является отказ от поминутной тарификации. Оплата за
передачу данных в сети GPRS взимается не за время, в течение которого абонент
был на связи с базовой станцией, а за объем переданной информации. Именно поэтому
многие онлайновые ресурсы, доступ к которым связан с передачей небольших объемов
данных (новостные сайты, чаты и т.д.), выгодно использовать с GPRS-терминалов,
а услуги вещания, например потоковое аудио, окажутся неоправданно дорогими.

Варианты использования технологии GPRS для доступа к Интернету

Существуют два способа применения технологии GPRS для доступа к Интернету (рис.
4). При одном из них GPRS-устройство выполняет функции модема, с помощью
которого пользователь портативного компьютера может просматривать Web-страницы
HTML. При этом может использоваться как кабельное соединение телефона с ПК,
так и беспроводное — инфракрасный порт или Bluetoth. Другой способ — это подключение
к Интернету напрямую с мобильного устройства, поддерживающего технологию GPRS,
что дает возможность просматривать Web-страницы в формате WAP при помощи встроенного
микробраузера. Информация в формате WAP представляется в облегченном виде, поэтому
для ее передачи требуется гораздо меньшая пропускная способность.

Следует отметить, что возможности доступа в Интернет с мобильного телефона
на базе WAP-протокола, меняются по мере развития самого стандарта. Для того
чтобы рассказать об эволюции WAP-протокола потребуется рассмотреть принцип его
работы.

WAP

Принцип работы WAP

WAP — это средство доставки Интернет-контента на мобильные телефоны, смартфоны
и коммуникаторы, разработанное с учетом ограниченности ресурсов данных мобильных
устройств, и встроенный микробраузер — клиентское ПО, созданное для мобильных
устройств, имеющих доступ к Интернет-сервисам.

По меткому замечанию представителя Phone.com (бывшей Unwired Planet) на заседании
WAP-форума, «основная идея WAP — использовать минимальные ресурсы мобильного
устройства и компенсировать ограниченность данных возможностей расширением спектра
сетевых устройств». WAP создан для работы в любом стандарте сотовой связи и
поддерживается большинством мировых лидеров сотовой связи, совместим с различными
устройствами (с любой клавиатурой, кнопками, стилусом и т.д.). Важность протокола
заключается в том, что он открыл эволюционный путь разработчикам приложений
и сетевым операторам для предложения их услуг в сетях различного типа, с разными
носителями.

WAP изначально разрабатывался с учетом малой скорости передачи данных и ограниченных
возможностей мобильных устройств по объему памяти, размерам экранов и средствам
навигации. Если обычные Web-страницы подразумевают разрешение как минимум 640Ѕ480
пикселов, то телефонный экран обычно предоставляет всего лишь 150Ѕ150 пикселов
и монохромный режим. При работе на ПК мы привыкли осуществлять навигацию в Web,
подводя курсор к ссылкам и кликая их, однако в телефоне и PDA аналогичного устройства
просто нет.

В связи с этим, как мы отмечали, для мобильных устройств и были разработаны
собственные протоколы передачи данных (Wireless Access Protocol, WAP) и соответствующие
языки разметки, в частности WML (Wireless Markup Language).

Для передачи данных на мобильное устройство в соответствующем формате разрабатываются
либо специальные сайты, либо происходит идентификация типа устройства в момент
его обращения к серверу и преобразование исходного документа в формат, необходимый
данному мобильному устройству.

Рассмотрим подробнее, что происходит, когда вы обращаетесь на Web-сайт, используя
WAP-телефон (рис. 5).

Сначала реализуется обращение к службе (рис. 5, пункт 1)
— пользователь должен связаться с ближайшей сотовой станцией. Далее устанавливается
связь с сервис-провайдером (пункт 2) и осуществляется выбор Web-сайта (пункт
3). Затем пользователь посылает запрос, который направляется на шлюзовой сервер
(пункт 4). Шлюзовой сервер, в свою очередь, запрашивает информацию в виде HTTP-запроса
с Web-сервера (пункт 5). Получив ответ от Web-сервера, шлюзовой сервер переводит
HTTP-данные в WML-данные (пункт 6). WML-данные отсылаются на мобильное устройство
(пункт 7).

После того как информация получена WAP-клиентом, она отправляется на мини-браузер,
который предлагает базовые средства навигации, и на дисплее мобильного устройства
отображается версия Web-странички с упрощенной графикой (пункт 8).

Беспроводной Интернет пока еще весьма слабая альтернатива обычному Интернету.
Сегодня это средство для ограниченного круга людей, которым важно подключаться
к Сети в условиях мобильного доступа. Однако ситуация быстро меняется: Ericsson,
Motorola, Nokia и другие компании уже выпустили десятки миллионов WAP-совместимых
сотовых телефонов; растет популярность и других беспроводных карманных устройств.

Быстро появляются новые услуги и информационное наполнение для подобных устройств.
Такие порталы, как Amazon.com, Yahoo! и ZDNet, активно предоставляют услуги
и информацию беспроводным способом. Ряд компаний предлагает разработчикам пакеты
инструментальных средств для проектирования беспроводных программ и служб. Таким
образом, в самом ближайшем будущем ситуация изменится и выход в Web можно будет
осуществлять в любом месте и в любое время, используя самые разные мобильные
устройства, которые будут предоставлять выход в Интернет на высокой скорости.

Стек протоколов WAP

Архитектурная модель WAP является производной от модели WWW с учетом текущих
ограничений беспроводных сетей и мобильных терминалов. WAP — это стек протоколов,
которые охватывают весь процесс доставки информации — от определения языка для
создания и оформления содержимого, спецификации мер безопасности до нижних уровней
стека, отвечающих непосредственно за транспортировку данных. WAP разрабатывался
как максимально независимая от протоколов нижележащего сетевого уровня технология
и служит глобальной платформой разработки приложений для предоставления услуг
независимо от того, кто является производителем терминала и какая используется
сеть беспроводной связи.

Рассмотрим структуру стека (рис. 6).

WAE (Wireless Application Environment) — определяет инструменты, которыми пользуются
разработчики контента: это программная среда для WAP-приложений. К ним относятся
WML и WMLScript (скриптовый язык, имеющий много общего с JavaScript) — инструменты,
которые позволяют создавать приложения для WAP.

WSP (Wireless Session Protocol) — протокол сессионного уровня. Его основная
задача — поддерживать сеанс связи. WSP предусматривает использование push-технологий
(доставку «незапрошенного» контента). В этом случае соединение инициируется
не клиентом, а сервером, что применяется для распространения новостей, рекламы
и т.д.

WTP (Wireless Transaction Protocol) — уровень транзакций, который обрабатывает
отдельные пакеты соединения. WSP и WTP соответствуют протоколу http в стеке
TCP/IP.

WTLS (Wireless Transport Layer Security) — предоставляет многие функции, аналогичные
тем, что реализованы в уровне Transport Layer Security (TLS), который является
частью TCP/IP. Он проверяет целостность данных, обеспечивает шифрование и аутентификацию
клиента и сервера.

WDP (Wireless Datagram Protocol) — предоставляет общий интерфейс между верхними
уровнями и физическим уровнем, производя адаптацию под конкретные свойства протокола
физического уровня.

Network carrier method — физический уровень, который характеризует способ передачи
данных в эфире. Протоколами этого уровня являются, в частности, уже упоминавшиеся
нами протоколы SMS и GPRS.

Эволюция WAP (WAP 1х — WAP 2.0)

Технология WAP развивается с 1997 года. 7 января 1998 года для разработки стандарта
WAP компании Nokia, Ericsson, Motorola и Phone.com создали некоммерческую организацию
WAP Forum, в которую сегодня входят более 500 компаний. Первая версия протокола
WAP 1.0 (она оказалась тестовой и практически не использовалась) вышла в мае
1998 года. Годом позже появилась версия WAP 1.1, а в 2000 году — WAP 1.2 и 1.21
(наиболее распространенная на сегодня). В целом можно констатировать, что возможности
протокола WAP 1.x оказались приспособлены лишь для небольших информационных
заметок, таких как данные о курсе валют, погоде, сеансах в кинотеатрах и т.п.,
которые достаточно быстро появились и мало изменились с тех пор (рис.
7).

Кардинальные изменения связаны с появлением версии WAP 2.0, которая была объявлена
в августе 2001 года на WAP-форуме. Основная причина разработки формата WAP 2.0
заключалась в том, что формат WAP 1.x имел целый ряд недостатков:

• платформенную несовместимость;

• узкую полосу пропускания;

• неудобный интерфейс и большое время ожидания;

• ненадежные коммуникации;

• высокую стоимость разработки информационного наполнения в силу различия приложений
для PК- и WAP-клиентов.

Главные усовершенствования WAP 2.0:

• поддержка стандартных протоколов Интернета (TCP/IP, HTTP), позволившая Web-разработчикам
создавать приложения как для ПК, так и для WAP-клиентов, что существенно снижает
стоимость разработки;

• усовершенствованная безопасность коммуникаций и возможности по проведению
финансовых транзакций;

• отсутствие необходимости в WAP proxy;

• взаимодействие клиента и сервера на базе протокола HTTP/1.1.

В WAP 2.0, в отличие от версии 1.0, поддерживаются протоколы TCP/IP и http,
что позволяет мобильному устройству запрашивать данные с сетевых ресурсов напрямую,
минуя сервер оператора (рис. 8).

Начиная с версии WAP 2.0 протокол допускает использование XHTML и Cascade Style
Sheet (CSS). Адаптация страниц для мобильного устройства может производиться
любым поддерживающим XHTML сервером в Сети. Сервер может запросить данные об
устройстве и, получив их, преобразовать страницы под необходимое разрешение
(User Agent Profile).

WAP proxy (рис. 9) при применении протокола WAP 2.0 может
использоваться (опционно) в целях оптимизации коммуникаций и обеспечивать новые
службы, такие как привязка сервисов к месторасположению пользователя, конфиденциальность.
WAP proxy также необходим для обеспечения WAP push-функций.

Push-технология оптимизирует организацию некоторых служб. Например, если раньше
телефоны пользователей, работающих по протоколу WAP 1.x и подписанных на обновляемую
информацию, должны были периодически запрашивать данные с сервера, чтобы узнать,
было ли обновление, то при Push-технологии сервер сам отправляет обновление
и в этом случае данные идут в одном направлении. Подчеркнем, что для использования
технологии Push требуется, чтобы на стороне оператора или компании, предоставляющей
информационное наполнение, был установлен wap proxy-сервер.

Перспективы WAP в сетях 3G

Сохранится ли необходимость в WAP с внедрением сетей 3G? По мере увеличения
скорости пропускных каналов стоимость широкополосного беспроводного доступа
не упадет до нуля. Цена услуги будет складываться из стоимости более мощных
терминалов, более высокой стоимости радиооборудования, больших нагрузок на сеть
и т.д. Не следует также забывать, что WAP был разработан для работы с маленькими
экранами, низким энергопотреблением, широкой настраиваемостью под разные типы
устройств для навигации одной рукой. Подобный сервис останется актуален и с
появлением сетей стандарта 3G. Конечно, мы будем наблюдать постоянное увеличение
ширины пропускного канала наряду с усложнением приложений. Помимо этого возрастет
потребность в минимизации устройств и в разработке сетевых ресурсов для беспроводных
приложений. Поэтому можно ожидать, что WAP будет иметь оптимизированную поддержку
мультимедийных приложений. Если WAP будет пользоваться успехом на массовом рынке
в сетях стандарта 2,5G, то вероятно, и в сетях 3G он окажется экономичным и
востребованным решением.

КомпьютерПресс 9’2003

Сотовая совершенствуется рывками. Переход от одной технологии к другой свидетельствует о вводе нового поколения. Именно поэтому, если упрощать, стандарты называются 1G, 2G, 3G и так далее — буква «g» в данном случае происходит от слова «generation». Давайте же постараемся понять, как развивалась мобильная связь. Заодно мы выясним, почему операторы не отказываются от поддержки старых стандартов.

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.

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 2,5G. 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.

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.

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.

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 2017 года новое поколение только тестируется. Когда нас ждет полноценная его эксплуатация — не ясно.

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.

Идея создания беспроводной сети мобильной связи появилась более ста лет назад.
Активная деятельность в этом направлении велась на Западе, но СССР не отставал
от своих «коллег по цеху». Однако несмотря на многолетние разработки первая
вариация сотового телефона появилась только в начале 70-х годов, когда в США
был создан первый сотовый телефон, выпущенный компанией Motorola.

На сегодняшний день практически у каждого жителя планеты есть мобильные
устройства, работающие на основе беспроводной связи. Только за последние сорок
лет сменилось четыре поколения сотовой связи, сегодня активно развивается пятое
(новейшее) поколение 5G, внедрить которое планируется в 2020 году.

В данной статье в общих чертах будет представлена информация по каждому
поколению беспроводной сотовой связи.

1G (или 1—G) — первое поколение беспроводных телефонных технологий и мобильных телекоммуникаций. Это аналоговые телекоммуникационные стандарты, которые были введены в 1980-х, а в начале 90-х были вытеснены более совершенной цифровой технологией 2G.

Это аналоговый стандарт с огромным количеством недостатков, заключающихся в
плохом качестве сигнала, отсутствием как таковой совместимости с технологиями.

Самыми распространенными стандартами были:
• AMPS — применялась только в Соединенных Штатах Америки, на территории
  Австралии, Канаде и в некоторых странах Южной Америки;
• TACS
  — применялась преимущественно в развитых европейских странах
  (Великобритания,
  Испания,
  Италия
  и т.д.);
• NMT — действовала в северных европейских странах — в Скандинавии;
• TZ-801 — исключительно японская сеть.

Коммерческое применение аналоговым сетям было найдено в Японии, далее запуск
выполнился в скандинавских странах. Позже всех коммерческое решение для
применения и объединения стандартов было найдено в США.

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. Несмотря на то, что скорость
передачи мобильных данных была крайне низкой и не превышала 19,5
кбит/секунду, внедрение беспроводного протокола стало самым настоящим
прорывом.

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. Поколение 3G включало сразу пять
стандартов UMTS/WCDMA, CDMA2000/IMT-MC, TD-CDMA/TD-SCDMA, DECT
и UWC-136, среди которых наибольшую распространенность получили UMTS/WCDMA (этот стандарт стал самым популярным в РФ) и CDMA2000/IMT-
MC.

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. Другая модель Huawei E3131 (с максимальной скоростью передачи
данных 21 Мбит/секунду) работает в 2G/3G, но при этом может поддерживать
работу в HSPA+, что невозможно в предыдущей модели модема.

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).

Стандарт связи 4G — LTE и WiMax

4G — это четвертое поколение связи, где буква «G» означает «Generation».

Несмотря на то, что сеть 3G не сдает свои обороты и активно используется в
России и Европе, ей на смену пришла уже хорошо себя зарекомендовавшая сеть
четвертого поколения, которая полностью соответствует высоким запросам и
требованиям абонентов.

Стандартами сети 4G стали LTE и WiMax

LTE — своеобразный последователь привычных нам GSM/UMTS. Изначально LTE
не относился к сети нового поколения, но постепенно за счет более
усовершенствованных технологий передачи данных его стали считать основным
стандартом сети 4G. Максимальная скорость, с которой могут (теоретически)
передаваться данные в стандарте LTE — 326,4 Мбит/секунду. Реальная скорость
может колебаться и зависеть от многочисленных факторов. Самая большая ширина
диапазона для частот LTE у оператора «Мегафон» (составляет 40 МГц и 300 Мбит/секунду соответственно). У остальных ширина диапазона не превышает 10
МГц, что соответствует 75 Мбит/секунду.

WiMAX — продолжает беспроводной стандарт передачи мобильных данных. На
сегодняшний день существует несколько версий данного стандарта —
фиксированные, которые предназначаются для находящихся в неподвижности
абонентов, а также мобильные версии — для абонентов в движении.

Новейшее поколение связи — 5G

Под 5G понимают новое поколение мобильной связи. G в названии — просто обозначение поколения, generation.

На сегодняшний день ведутся активные работы по разработке и внедрению
стандартов новейшего поколения — 5G. По прогнозам пятое поколение сетей
появится в 2020 году. Пока неясно, насколько высокой будет скорость передачи
данных — актуальной информации на данный счет нет. Во время предварительных
испытаний удалось дойти до скорости в 25 Гбит/секунду, что в разы выше
существующих сегодня показателей в 3G и 4G.

Как только сеть пятого поколения будет введена в строй, абоненты получат точные
сведения о теоретической и реальной скорости передачи данных.

Типичная любительская рация имеет 16 каналов и «бьет» на десятки километров. На общей территории всего 16 пар абонентов могут общаться по такой рации, не мешая друг другу. На аналогичной площади в современном городе десятки тысяч человек одновременно разговаривают по сотовым телефонам, и дефицитных радиочастот хватает на всех. Причина кроется в самом слове «сотовый».

1G

1980-е годы. Мобильные данные: не поддерживаются

Первые мобильные, а точнее автомобильные телефоны, появились в конце 1940-х годов. Огромная башенная антенна с радиусом действия в десятки километров соединяла их с телефонной сетью. В 1960-х каждому радиотелефону стали выделять сразу два канала: один на передачу, другой на прием, чтобы пользователь мог одновременно говорить и слушать (такой режим связи называется дуплексным). Центральная антенна могла обслуживать единицы дуплексных телефонов одновременно. О мобильном интернете в тот момент даже не думали, да и самой Всемирной сети еще не было.

В 1980-х появилась ключевая технология: операторы разделили территории на множество небольших сот, каждая из которых обслуживалась своей базовой станцией — ​антенной, подключенной к телефонной сети по проводам. Теоретически одна станция могла предоставить пары частот для 28 абонентов, хотя на практике число было и того меньше. Главное, что теперь частоты можно было использовать многократно.

Каждая сота граничит с шестью соседними. Их зоны действия частично пересекаются, поэтому семь ближайших друг к другу базовых станций не должны иметь общих частот. Зато за пределами «семерки» одни и те же частоты можно использовать снова и снова. Разработчики технологии сотовых сетей первого поколения догадались разделить радиоэфир между абонентами по территориальному признаку.

Этим принципом мы пользуемся и сегодня. Попадая в зону действия базовой станции, мобильное устройство связывается с ней по специальному сервисному каналу и регистрируется в сети. Оператор всегда «знает», рядом с какой станцией вы находитесь и куда перебросить звонок, если кто-то наберет ваш номер. В отличие от рации, сотовый телефон обеспечивает соединение лишь на «последней миле». Несопоставимо большее расстояние сигнал между абонентами проходит по проводам. Так что технологии сотовой связи и мобильного интернета можно назвать беспроводными лишь с долей условности.

2G

1990-е годы. Мобильные данные: от СМС-сообщений до интернета на скорости до 384 кбит/с

Сети 2G сделали мобильную связь по-настоящему массовой. Наши первые моноблоки и раскладушки работали по стандарту второго поколения — ​GSM (Global System for Mobile, глобальный стандарт мобильной связи). Передача сигнала стала цифровой: голоса абонентов перед пересылкой преобразовывались в цифровые данные, и их уже нельзя было перехватить с помощью обычной рации. В сетях появился роуминг: операторы договорились передавать друг другу звонки своих клиентов, и отчасти поэтому стандарт назвали «глобальным». В этом же поколении появился и мобильный интернет.

Но главное — ​оборудование второго поколения обслуживало еще больше людей, и на этом стоит остановиться подробнее. В сетях 1G абоненты делили радиоэфир по территориальному принципу: распределялись по сотам. Каждая базовая станция обслуживала до нескольких десятков абонентов, выдавая каждому из них свою пару радиочастот: одну на передачу и одну на прием. Такая технология называется Frequency Division Multiple Access (FDMA), или множественный доступ с делением по частоте.

В  технологии второго поколения заработал дополнительный принцип деления — ​по времени, или Time Division Multiple Access (TDMA). Внутри каждой частоты базовая станция выделяет восемь временных слотов и распределяет их между абонентами. Телефон говорящего преобразует голос в цифровые данные и пересылает их часть в отведенный момент времени. Затем делает паузу, уступая другим, а когда вновь настает его очередь, досылает оставшуюся часть. Аппарат собеседника считывает информацию из нужных слотов, сшивает цифровые данные и восстанавливает из них голос. Все происходит так быстро, что люди ничего не замечают. А телефоны тем временем нарезают частотный диапазон уже не «полосками», а «кубиками».

Раз соединение стало цифровым, неудивительно, что даже первые аппараты второго поколения могли передавать не только голос, но и данные: ​СМС-сообщения. Поздние версии 2G-сетей позволяли выходить в интернет со скоростью до 384 кбит/с. Однако до современных стриминговых скоростей мобильного интернета было еще далеко.

3G

2000-е годы. Мобильные данные: от 2 до 14,7 Мбит/с

В сетях третьего поколения интернет стал по-настоящему широкополосным. Часто под этим термином понимают просто высокую скорость передачи данных мобильного интернета. В более узком смысле слово «широкополосный» подразумевает, что по одному носителю передается сразу несколько потоков информации. Например, единственный провод используется для голосовой связи и интернета одновременно.

Широкополосность тесно связана с понятием модуляции, которую проще объяснить на примере FM-радио. В эфире передается музыка, то есть звук. Человек воспринимает на слух сигналы с частотой от 20 Гц до 20 000 Гц (1 Гц — ​одно колебание в секунду). Однако частота радиоволн в FM-диапазоне намного выше: в районе 100 МГц (миллионов герц). Чтобы радиочастота (несущая) передавала звук, ее модулируют, то есть изменяют: когда уровень звукового сигнала повышается, увеличивается частота несущей, и наоборот. Частота несущей радиоволны колеблется в пределах 180 кГц. Этой полосы пропускания (bandwidth) хватает, чтобы приемник извлек из нее качественный звук. Аббревиатура FM, собственно, и означает частотную модуляцию — ​Frequency Modulation.

Звук, который мы слышим по радио, устроен куда сложнее и содержит больше информации, чем цифровой сигнал — ​последовательность нулей и единиц. Однако, используя продвинутые алгоритмы модуляции, можно упаковать в несущую волну сразу много цифровых потоков, то есть сделать сигнал широкополосным. И от ширины частотной полосы будет зависеть, сколько именно данных в единицу времени получится передать на удаленные устройства.

В сетях третьего поколения, вместо того чтобы делить частотный диапазон на полосы по 25 кГц (2G FDMA) между абонентами, им дали возможность совместно использовать «магистраль» шириной в 1,23 МГц, то есть в пятьдесят раз больше. Для совместного доступа применили технологию с разделением по коду: CDMA (Code Division Multiple Access). По каналу пришлось передавать значительное количество «лишней» информации (псевдослучайный код), но результат того стоил: скорость мобильного интернета многократно возросла.

4G

2010-е годы. Мобильные данные: от 300 Мбит/с до 3 Гбит/с

Сети четвертого поколения работают приблизительно в том же диапазоне частот, что и 3G и даже 2G (от 800 до 2600 МГц). Но если в начале 1990-х все наши мобильные данные сводились к эсэмэскам, то сегодня мы на лету смотрим видео высокого разрешения, редко сталкиваясь с недостаточной скоротью передачи данных. Технология 4G выжала все соки из эфирного пространства, которое эксплуатировалось десятилетиями. Не зря четвертое поколение ассоциируется с аббревиатурой LTE — ​Long Term Evolution, или долговременное развитие.

Радиоволны, подобно волнам на поверхности воды, могут взаимодействовать с окружающими предметами и друг с другом. Они отражаются от зданий, рассеиваются, проходя сквозь стены, и даже искажают соседние волны. Чтобы волны соседних полос не мешали друг другу, в технологиях FDMA и CDMA между ними оставляли защитный диапазон. Разработчикам 4G удалось использовать эти пустоты и дополнительно уплотнить эфир с помощью технологий MIMO и OFDMA.

MIMO расшифровывается как Multiple Input Multiple Output — ​«множественные входы и множественные выходы». Базовая станция посылает сигнал сразу с двух или более антенн, а мобильное устройство принимает соответственно двумя или более антеннами (да, все они помещаются в компактном корпусе). Несколько версий радиосигнала проходят разные пути в пространстве и искажаются каждый по-своему, но затем компьютер восстанавливает из них качественный исходный сигнал.

За технологией OFDMA (O здесь означает «ортогональный») стоит сложная математика. Но вкратце суть ее в том, что отведенная одному абоненту полоса частот (несущая) разбивается на множество (до 256) поднесущих. Их частотные спектры пересекаются, и они непременно мешали бы друг другу, если бы не были филигранно синхронизированы по времени. В тот момент, когда поднесущая достигает пика мощности, ее ближайшие соседки всегда слабы.

В сетях 4G ресурсы сети используются максимально гибко. Система постоянно варьирует ширину полос, временные слоты и количество поднесущих в зависимости от аппетитов конкретных пользователей и качества радиосигнала. Устройство, которому требуется максимальная скорость, получает широкий канал, и наоборот  — гаджеты, которым достаточно медленного интернета, не расходуют ресурсы сети понапрасну.

5G

2020-е годы. Мобильные данные: от 100 Мбит/с до 20 Гбит/с

Разработчики сетей четвертого поколения нарезали радиоэфир настолько мелкими порциями, что, кажется, вплотную приблизились к теоретическому лимиту ускорения связи. Поэтому впервые за 40 лет мобильные устройства выходят в новый частотный диапазон, который будет намного шире предыдущего. Новые эфирные просторы обеспечат высокую скорость передачи данных: разработчики обещают, что полнометражные фильмы в высоком разрешении мы будем скачивать за считанные секунды. Однако скорость не главный параметр 5G. Важнее количество подключенных устройств: до миллиона на квадратный километр. Сети пятого поколения создаются не только и не столько для людей, сколько для машин: домашней и промышленной автоматики, беспилотного транспорта, устройств интернета вещей. Стандарт текущего тысячелетия развивается экстенсивно: больше частот, больше базовых станций, больше антенн, больше сот.

Подробно о технологиях, на которых строятся сети пятого поколения, читайте в отдельном материале:

Читать на ЦО.РФ

Что такое 5G Как работает сотовая связь пятого поколения

Словосочетание «оборудование пятого поколения» само по себе не гарантирует запредельных скоростей. За термином 5G скрывается целый набор технологий, которые могут использоваться как все вместе, так и в различных комбинациях

Узнайте, какие поколения мобильной связи сегодня существуют, а также чем они отличаются между собой.

Наверняка сегодня уже практически не осталось людей, которые бы не пользовались сотовой связью. Практически у всех есть мобильные телефоны, которые, помимо средства общения, могут выступать в роли полноценных устройств для выполнения различных прикладных задач. В частности, популярной сферой применения является Интернет-сёрфинг.

И вот здесь начинается самое интересное… Если с голосовой связью дела везде обстоят практически одинаково, то в плане доступа ко Всемирной Сети всё не так просто. Здесь обычно всплывают громкие рекламные лозунги, рекламирующие какой-то 3G, высокоскоростной доступ и пакеты гигабайт. Попробуем с Вами разобраться во всех этих нюансах.

Немного истории

Использовать радиоволны для голосовой связи начали ещё в 30-х годах ХХ века. Первые прототипы беспроводных раций разрабатывала на базе своих радиоприёмников американская компания Motorola. Готовые к эксплуатации образцы довольно громоздких раций появились вначале у военных, а чуть позже и в патрульных автомобилях у полицейских. Эти приёмо-передатчики могли работать на расстоянии в несколько километров от базовой станции и их фактически можно считать прообразом современных сотовых сетей.

Теоретическую базу для обмена маломощными радиосигналами в рамках сот с антенной в их центре разработали ещё в конце 50-х годов. Однако, технически реализовать описанную схему получилось лишь спустя 10 лет, когда стало возможно осуществлять связь между соседними сотами. В начале 70-х годов всё та же компания Motorola разработала первый мобильный телефон, а со временем совместно с AT&T организовала первую сотовую сеть на территории США:

К концу 70-х – началу 80-х годов собственные сотовые сети появились в Японии и на севере Европы (Норвегия, Дания, Швеция и Финляндия). Все они были сетями первого поколения, которое отличалось использованием только аналоговой частотной модуляции для приёма и передачи сигнала в диапазоне частот от 170 до 900 МГц (мегагерц).

Сети стандарта 1G отличались низкой пропускной способностью (около 2 кбит/с) и не самым оптимальным распределением частотных каналов. Поэтому передовые в техническом плане государства уже в середине 80-х стали разрабатывать базу для перехода к цифровой мобильной связи второго поколения. Хотя, в некоторых странах аналоговая мобильная связь существует и поныне наряду с новыми сетями. Ярким примером можно считать скандинавскую систему NMT-450 (Nordic Mobile Telephone), использующую диапазон 450 МГц, которая работает ещё с конца 70-х!

2G

Настоящий расцвет мобильная сотовая связь переживает с переходом от аналоговых технологий к цифровым. Это позволило более оптимально использовать выделенные каналы связи, а также значительно повысить скорость и качество передачи данных. В сетях 2G средняя скорость обмена информацией повысилась до 10 – 15 кбит/с. Это позволило реализовать помимо прямой голосовой связи ещё и передачу коротких текстовых сообщений (SMS).

Переход от 1G к 2G начался в 90-х годах уже прошлого века и был сопряжён с рядом трудностей. Дело в том, что к тому времени у уже существовавших аналоговых сетей первого поколения было довольно много пользователей. Поэтому пришлось переделывать всю систему так, чтобы существовала поддержка и аналоговых, и цифровых режимов работы одновременно.

Подобный цифро-аналоговый стандарт был внедрён в 92-м году в США как надстройка над существовавшим стандартом AMPS, получив название D-AMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service – цифровая усовершенствованная служба мобильной связи). Работал он в диапазоне частот 400 – 890 МГц и развивался вплоть до 1996 года. С тех пор стандарт постепенно вытесняется из употребления другими более продвинутыми реализациями полностью цифровых сетей.

В Европе, в отличие от Америки, если не считать скандинавского NMT, в каждой из стран существовало множество разрозненных аналоговых стандартов, работавших в различных диапазонах. Связать их воедино было технически невозможно, поэтому здесь пошли другим путём и в 1991 году создали изначально общий цифровой стандарт, который получил название GSM (Global System for Mobile Communications – глобальный стандарт мобильной связи):

Основными нововведениями GSM (если не считать того, что это был изначально цифровой стандарт) стала поддержка SIM-карт (ранее в других системах номер телефона и зависимость от оператора задавались на уровне прошивки) и роуминга (возможности подключаться к сетям других операторов того же стандарта вещания). Изначально GSM использовал частоту 900 МГц (точнее, диапазон 890 – 960 МГц), однако, со временем включил в себя частоты 1800 МГц (1710 – 1880 МГц), а также 850 МГц (824 – 894 МГц) и 1900 МГц (1850 – 1990 МГц) (американо-канадский стандарт).

2,5G

Фактически большинство современных мобильных сетей на постсоветском пространстве и в Европе работает на базе стандарта GSM с различными улучшениями и обновлениями. Такие улучшения в большей степени касаются не столько улучшения качества голосовой связи, сколько развития возможности передачи данных через виртуальный канал мобильной связи.

Вплоть до начала 2000-х нормального доступа к Интернету в GSM не было. Была реализована некая адаптация веб-сайтов Всемирной сети по технологии WAP. Однако, даже с учётом адаптации, скорость доступа к WAP-сайтам была на уровне старого Dial-Up. И вот, аккурат к началу нового тысячелетия, появляется технология GPRS (General Packet Radio Service – пакетная радиосвязь общего пользования), которая позволила реализовать пакетную передачу данных.

До внедрения этой технологии базовые станции мобильной связи соединялись лишь с наземными телефонными сетями общего пользования (сокр. ТСОП или ТфОП, англ. PSTN – Public Switched Telephone Network). Теперь же появилась возможность подключаться ещё и к сетям пакетной передачи данных, которые позволяли задействовать более широкий спектр частот для повышения скорости передачи данных.

Теоретическая максимальная пропускная способность GPRS составляла 50 кбит/с (на практике, обычно не выше 40), но это уже дало возможность, пусть и не очень быстро, но получать доступ к привычному Интернету, который в то время вступил в фазу активного развития. Данная технология оказалась столь значительной, что часть специалистов даже выделили для её отличия от остальных технологий 2G термин 2.5G.

Однако, с дальнейшим развитием Интернета и улучшением размеров веб-страниц стало ясно, что GPRS уже мало соответствует реалиям. Поэтому уже в 2003 году появляется его улучшенная версия под названием EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution – улучшенная передача данных для эволюции GSM). Основой улучшения стал новый способ кодирования данных (8PSK), который позволил реализовать их передачу на скорости до 1Мбит/с (реально 512 кбит/с и ниже).

Как и в случае с GPRS, некоторые склонны выделять сети, в которых используется технология EDGE в сети 2.75G. Кстати, EDGE по теоретическим требованиям к скорости обмена данными (1 Мбит/с) уже подходит под характеристики сетей третьего поколения. Но из-за реальных потерь всё же недотягивает к ним по уровню стабильности.

Технологии EDGE и GPRS сегодня распространены практически повсеместно и обычно именно они используются для доступа к Интернету с мобильного телефона в зоне, где нет покрытия 3G. Опознать тип (а значит и прикинуть максимальную скорость соединения) Вы можете, взглянув на значок Интернет-подключения в области уведомлений Вашего телефона. Буква «G» будет означать GPRS со скоростью до 50 кбит/с, а «E», соответственно, EDGE со скоростью выше 50 кбит/с:

3G

Начало нового поколения мобильной связи положила технология CDMA (Code Division Multiple Access – множественный доступ с кодовым разделением). В отличие от GSM, где пользователю выделялся лишь ограниченный по частоте (FDMA) или времени (TDMA) канал связи, в CDMA изначально каждый абонент мог использовать всю ширину канала. Различение же одновременно передаваемых потоков данных осуществлялось внедрением специальных псевдослучайных последовательностей, которые использовались в качестве идентификаторов на уровне аппаратного обеспечения.

Фактически именно использование кодового разделения для опознания трафика конкретного абонента, а также отход от привязки к телефонными сетями общего пользования и стали определяющими чертами 3G. Новый тип сетей, как и GPRS, изначально имел прямую связь как с ТСОП, так и с Интернет-провайдером, что в сочетании с широким пропускным каналом позволило реализовать доступ ко Всемирной Сети на скоростях выше 1 Мбит/с.

Изначально сети CDMA стали появляться с 1995 года в США в качестве альтернативы уже устаревшего стандарта D-AMPS. Однако, реальный их бум начался с появлением реализации CDMA2000, работавшей на частоте 1250 МГц с максимальной скоростью приёма до 4.9 Мбит/с и отдачи до 1.8 Мбит/с.

Примерно в это же время появился и альтернативный стандарт WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access – широкополосный множественный доступ с кодовым разделением), покрывавший частоты в диапазоне 1900 – 2100 МГц и дающий скорость передачи данных до 2 Мбит/с. Его плюс был в том, что реализовать его поддержку можно было на базе имеющегося GSM-оборудования. Поэтому именно с WCDMA в Европе началась поддержка этой технологии, а также переход на 3G.

Основой сетей CDMA является технология EV-DO (Evolution-Data Optimized – оптимизация для эволюции данных). Фактически версия этой технологии, которая используется в той или иной сети, определяет максимальные скорости передачи данных. На сегодняшний день существует 5 её версий (наиболее распространённой на сегодняшний день является вторая – Rev.A):

Версия	Максимальная скорость приёма	Максимальная скорость передачи
Rev.0	2.4 Мбит/с	150 кбит/с
Rev.A	3.1 Мбит/с	1.8 Мбит/с
Rev.B	73.5 Мбит/с	27 Мбит/с
Rev.C	280 Мбит/с	75 Мбит/с
Rev.D	500 Мбит/с	120 Мбит/с

Несмотря на ряд преимуществ и частичную совместимость с сетями GSM, в Европе и странах СНГ большее распространение получил более совместимый стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система), который по принципу работы схож с WCDMA, но действует в диапазоне частот GSM (1885 – 2025 МГц для передачи данных от клиента и 2110 – 2200 МГц для приёма данных).

Максимальной теоретической скоростью передачи данных в сетях UMTS является 21 Мбит/с, но на практике средний показатель варьирует в диапазоне от 384 кбит/с до 7.2 Мбит/с (что, в принципе, довольно хорошо). Основным недостатком UMTS считается довольно малый радиус соты (всего 1.5 км), однако, внедрение данного стандарта выгодно в плане сравнительно небольших вложений на модернизацию базовых станций и хорошей совместимости с GSM.

В качестве развития UMTS сегодня во многих местах разворачиваются сети HSPA (High-Speed Packet Access – высокоскоростной пакетный доступ) и HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access – развитый высокоскоростной пакетный доступ). Как и в случае с GPRS и EDGE, они реализуют собой переходные стандарты развития третьего поколения мобильной связи 3.5G и 3.75G, соответственно.

Отличаются стандарты максимальными скоростями:

• 14.4 Мбит/с (загрузка) и 5.76 Мбит/с (отдача) для HSPA;
• 42.2 Мбит/с (загрузка) и 5.76 Мбит/с (отдача) для HSPA+;

Поскольку максимальная скорость отдачи в обеих стандартах одинакова, то их иногда называют HSDPA (D – download – загрузка). На практике в строке уведомлений мобильного телефона при работе в сетях третьего поколения может отображаться один из трёх индикаторов:

• 3G – сеть стандарта UMTS;
• H – сеть стандарта HSPA;
• H+ – сеть стандарта HSPA+.

4G

На момент написания статьи из уже реально действующих мобильных сетей последними являются сети 4-го поколения, они же 4G. Наиболее распространёнными стандартами высокоскоростных современных технологий являются сети LTE (Long-Term Evolution – долговременное развитие) и WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access – всемирное взаимодействие для микроволнового доступа).

Стандарт LTE является прямым потомком GSM и является обратно совместимым с оборудованием для работы EDGE и HSPA, но несовместим с интерфейсами 2G и 3G на устройствах пользователей, поскольку требует наличия отдельных дополнительных модулей, которых нет, например, в старых смартфонах. Он работает в расширенном диапазоне частот (от 1400 до 2000 МГц) за счёт чего обеспечивает скорость скачивания до 326.4 Мбит/с, а отдачи до 172.8 Мбит/с (в спецификации LTE-A (Advanced – улучшенное)).

Радиус покрытия у LTE значительно выше, чем, например, у HSPA и составляет от 3.2 до 19.7 км (в зависимости от мощности базовой станции) с потерями в скорости до 1Мбит/с. Именно этот факт (больше радиус – значит, меньше затрат на модернизацию) объясняет активное внедрение операторами сотовой связи LTE в крупных городах.

Ещё более перспективным стандартом радиосвязи является WiMAX. В отличие от всех предыдущих стандартов, он имеет больше общего не с привычным GSM, а с WiFi. Он даже базируется на той же ветке спецификаций (IEEE 802.16), что и домашние беспроводные сети. Однако, если WiFi имеет небольшой радиус покрытия, то WiMAX изначально разрабатывается как беспроводной стандарт широкополосной передачи данных на расстояниях свыше 1 км (на данный момент до 80 км).

Высокие скорости и большая ёмкость соты в WiMAX достигается благодаря широкой полосе используемого высокочастотного диапазона (1.5-11 ГГц). Поэтому технологию можно применять не только для телекоммуникационных нужд, но также для создания объединённой сети разрозненных точек доступа WiFi, организации различных систем удалённого мониторинга и контроля, а также реализации зоны покрытия мобильной связи и Интернет в труднодоступных местах.

На сегодняшний день сети WiMAX ещё только вводятся в эксплуатацию в развитых странах. В том числе в России (оператор Скартел) и Казахстане (проект FlyNet). Однако, уже активно ведутся изыскания в сфере внедрения ещё более производительных сетей пятого поколения. Ожидается, что сети 5G будут дальнейшим развитием WiMAX 2 с зоной покрытия до 150 км и скоростями до 1 Гбит/с. Но пока это ещё только планируется…

Сравнение стандартов

Чтобы обобщить всё, что мы написали выше, предлагаю свести всю информацию в единую таблицу:

Поколение	Технология	Год	Максимальная скорость передачи данных	Максимальный радиус соты	Рабочие частоты	Использование	Особенности
1G	AMPS	1983	до 2 кбит/с	до 30 км	824–894 МГц	США, Канада, Австралия. В данный момент не используется	Полностью аналоговое поколение стандартов с поддержкой голосовых вызовов и малой ёмкостью соты (до 200 абонентов)
NMT	1981	до 1.9 кбит/с	до 40 км	453–467.5 МГц (NMT-450) и 890–960 МГц (NMT-900)	Скандинавские страны. До сих пор ещё эксплуатируются.
2G	D-AMPS	1992	до 15 кбит/с	до 30 км	400–890 МГц	США, Канада, Австралия. В данный момент почти не используется	Цифровой стандарт сохранявший совместимость с аналоговым AMPS
GSM	1992	до 9.6 кбит/с	до 120 км	824–894 МГц (GSM-850), 890–960 МГц (GSM-900), 1710–1880 МГц (GSM-1800) и 1850–1990 МГц (GSM-1900)	Страны Европы, а позже и весь мир	Первый полностью цифровой стандартизированный сотовый стандарт. Дал возможность отправлять SMS
2.5G	GPRS	1996	до 171.2 кбит/c	до 40 км	Все частоты GSM	Страны Европы, а позже и весь мир	Надстройка над GSM, которая позволила передавать пакетные данные напрямую через шлюзы Интернет-провайдера, а не через наземные телефонные линии
2.75G	EDGE	2003	до 474 кбит/с	до 4 км	Все частоты GSM	США, а позже и весь мир	Надстройка над GSM, которая позволила передавать пакетные данные напрямую через шлюзы Интернет-провайдера, а не через наземные телефонные линии
3G	CDMA	1995	до 500 Мбит/с (EV-DO Rev.D)	до 35 км	1.25–2100 МГц	США, а позже и весь мир	Первая широкополосная система передачи данных с разделением потоков по специальному коду. Имеет несколько спецификаций, которые могут быть совместимы (WCDMA) или несовместимы с GSM (CDMA2000).
UMTS	2004	до 7.2 Мбит/с	до 1.5 км	Разные в разных странах. У нас 1885–2200 МГц	Европа, а позже и весь мир	Используя наработки WCDMA, стандарт был разработан для обеспечения совместимости с GSM-сетями.
3.5G	HSPA	2006	до 14.4 Мбит/с	до 2 км	Диапазон UMTS	Европа, а позже и весь мир	Надстройка над системой UMTS, обеспечивающая более оптимальное использование канала связи.
3.75G	HSPA+	2009	до 42.2 Мбит/с	до 2 км	Диапазон UMTS	Европа, а позже и весь мир	Улучшение системы HSPA. Переходный стандарт между 3G и 4G.
4G	LTE	2012	до 326.4 Мбит/с (LTE-A)	до 19.7 км	1400–2000 МГц	США, а позже и весь мир	Является потомком GSM, но несовместим со стандартами 2G и 3G.
WiMAX	2010	до 75 Мбит/с	до 80 км	1.5–11 ГГц	Страны дальнего востока, а позже и весь мир	Улучшение системы HSPA. Переходный стандарт между 3G и 4G.

Итоги

Технологии в наше время не стоят на месте. А в плане развития сотовой связи инновации появляются практически ежегодно! Ещё не все до конца поняли, что такое 3G, как уже внедряются стандарты 4-го поколения, а поговаривают и о тестировании 5G!

Одно можно сказать точно, что связь со временем, скорее всего, полностью перейдёт из плоскости наземных телефонных линий в плоскость различных онлайн-сервисов. Доступ к ним будет обеспечен внедрением широкополосных беспроводных стандартов с улучшенным покрытием. Например, уже в прошлом году компания Мегафон в России тестировала возможность передачи данных на скоростях до 4.2 Гбит/с, а в этом году МТС совместно с Nokia фактически подготовили базу для внедрения сетей 5G!

Так что уже через пару-тройку лет наши мобильники вполне могут стать настоящими видеофонами и мы будем не только слышать, но и всегда видеть наших собеседников!

P.S. Разрешается свободно копировать и цитировать данную статью при условии указания открытой активной ссылки на источник и сохранения авторства Руслана Тертышного.