Нові стандарти передачі даних стільникового зв'язку. Еволюція технологій передачі даних у стільникових системах зв'язку
Стільникова удосконалюється ривками. Перехід від однієї технології до іншої свідчить про запровадження нового покоління. Саме тому, якщо спрощувати, стандарти називаються 1G, 2G, 3G тощо - літера «g» у разі відбувається від слова «generation». Давайте ж постараємося зрозуміти, як розвивався мобільний зв'язок. Заодно ми з'ясуємо чому оператори не відмовляються від підтримки старих стандартів.
Зараз найперше покоління стільникового зв'язкуприйнято називати 1G. Але в роки дії цих мереж ніхто про таке поняття не підозрював, тоді багато людей не думали про те, що найближчим часом стільниковий зв'язок стане зовсім іншим. Отже, що ж було перше покоління?
Фактично це був аналоговий зв'язок. Її запуск було здійснено компанією AT&T, а перший дзвінок відбувся 3 квітня 1973 - його здійснив Мартін Купер, який був головою мобільного підрозділу. Як і у випадку зі стаціонарним аналоговим зв'язком, теоретично стільниковий телефонможна було задіяти як модем. Але зважитися на це міг тільки якийсь мільйонер, адже хвилина розмови на той час коштувала величезних грошей.
Як і у випадку з наступними поколіннями, 1G – це лише назва, що поєднує під собою кілька різних стандартів. У Канаді, США, Австралії, а також Південній та Центральній Америці застосовувався стандарт AMPS. У країнах Скандинавії та деяких державах набув поширення стандарт NMTта його різновиди. Ну а в Італії, Іспанії, Англії, Австрії, Ірландії та Японії застосовувалося стільникове обладнання стандарту TACS. І це лише три найпопулярніші варіанти реалізації мереж! Всі ці стандарти були абсолютно несумісні один з одним. Тому британець, який приїхав до Америки, не міг розмовляти своїм власним телефоном. Один від одного різні стандарти відрізнялися не тільки діапазоном частот, але й радіусом стільники, потужністю передавача, часом перемикання на межі стільники та співвідношенням сигналу до шуму. Докладніше з усіма специфікаціями ви можете ознайомитися в табличці, що додається.
Звичайним людям стільниковий зв'язок першого покоління став доступним далеко не відразу. Перше десятиліття деякі компанії займалися лише експериментами. Комерційна реалізація відбулася лише 1984 року. Досить швидко стало ясно, що аналоговий стільниковий зв'язок має низку недоліків. По-перше, кожна стільника мала малу ємність – при підключенні до неї великої кількості абонентів розпочиналися серйозні проблеми. По-друге, якість сигналу була далекою від ідеалу, особливо якщо абонент знаходився не на вулиці, а в будівлі. Першими про ці проблеми замислилися європейці. Вони почали розробляти цифровий зв'язок.
Друге покоління стільникового зв'язку
У 1982 році Європейська конференція поштових та телекомунікаційних відомств почала розробляти стандарт. GSM. Незабаром його почали називати 2G-зв'язком. Спочатку GSM призначався для країн-членів Європейського інституту стандартів телекомунікації. Але пізніше розробкою зацікавилися Середній Схід, Африка, Азія та Східна Європа. Комерційний реліз мереж стандарту GSM відбувся 1991 року. Цифровий метод передачі даних дозволяв абонентам обмінюватись SMS-повідомленнями. А згодом їм став доступний вихід в Інтернет через протокол WAP.
Цей стандарт підкорив не всіх. Деякі держави пішли своїм шляхом. Наприклад, у США багато 2G-мереж використовували стандарт D-AMPS. Лише згодом американці перейшли на GSM1900. А в деяких країнах надовго завоював популярність стандарт CDMA. Він не сумісний з GSM, тому під нього розроблялися окремі мобільні телефони.
Поступово на прилавках магазинів почало з'являтися все більше портативних пристроїв, що вміють виходити в глобальне павутиння. У зв'язку з цим стільниковим операторамТреба було щось робити, оскільки у 2G гостро бракувало швидкості передачі. Тому незабаром з'явилося проміжне покоління стільникового зв'язку, яке називається 2,5G. У цей стандарт запровадили підтримку технології GPRS, а потім і EDGE. Відтепер мобільним телефоном здійснювалася пакетна передача даних – абонент платив за конкретний обсяг трафіку, а не за час з'єднання із сервером. Це не тільки заощадило людям гроші, а й збільшило швидкість передачі та прийому даних. У 2G-мережах цей параметр дорівнював 9,6 Кбіт/с, тоді як підтримка телефоном покоління 2,5G дозволяла виходити в інтернет на швидкості до 170 Кбіт/с (GPRS) або навіть 384 Кбіт/с (EDGE). У деяких країнах ці дві технології називали по-різному, але суть від цього не змінювалася.
Вище ви бачите табличку, в якій зазначені конкретні відмінності всіх стандартів, що належать до поколінь 2G та 2,5G.
Третє покоління стільникового зв'язку
В IMT-2000(так прийнято називати 3G у професійному середовищі) входять п'ять стандартів: CDMA2000, W-CDMA, TD-CDMA/TD-SCDMAі DECT. Останній не є стандартом стільникового зв'язку, тому що він використовується в домашній та офісній бездротовій телефонії. Інші стандарти застосовуються для забезпечення зв'язком власників мобільних телефонів. Усі вони мають схожі специфікації. Цікаво, що метод роботи таких мереж був винайдений у СРСР ще 1935 року. Проте довгий час цією технологією користувалися лише військові. У цивільний сегмент вона вийшла лише в середині 1980-х років, через необхідність розвивати мобільний зв'язок.
Від 2G третє покоління в першу чергу відрізнялося швидкістю передачі даних, що підвищилася. Якщо абонент стоїть на місці, він може завантажувати дані на швидкості близько 2 Мбіт/с. При неквапливому кроці трафік завантажується зі швидкістю приблизно 384 Кбіт/с. У транспортному засобі швидкість падала ще сильніше – до 144 Кбіт/с.
З появою смартфонів стало мало і вищезгаданих швидкостей. Тому досить швидко став популярним стандарт HSPA. Він ознаменував прихід покоління 3,5G. Наділені його допомогою стільникові телефони навчилися передавати дані зі швидкістю 14,4 Мбіт/с. І це був лише початок! Надалі стандарт удосконалювався, у результаті теоретично виявилася досяжна швидкість 84 Мбіт/с. В основі HSPA закладена багатокодова передача даних при сумісних розмірах сот.
Четверте покоління стільникового зв'язку
Наприкінці 2000-х років на світ стали з'являтися «айфони» та «андроїди». Ці смартфони відрізнялися від попередників великим РК-дисплеєм. Тепер уже нікому не хотілося переглядати скромні WAP-сторінки. Відтепер вбудованих комплектуючих вистачало для того, щоб браузер без будь-яких проблем відображав повноцінну сторінку, наскільки б тяжкою вона не була. Але для неї швидкого завантаженняпотрібна висока швидкість. Забезпечити її міг лише новий стандарт. Активна популяризація 4G, або IMT-Advanced, розпочалася у березні 2008 року.
Результатом роботи вчених стали два стандарти: WiMAXі LTE. Зараз ви самі знаєте про те, який з них набув найбільшого поширення. Використання LTE дозволило значно збільшити ємність кожної стільники, хоча ареал її впливу у своїй зменшився. Тепер мінімальна швидкість передачі становила 100 Мбіт/с, чого вистачає більшості середньостатистичних власників смартфон. Надалі цей параметр виріс ще сильніше. Сталося це за рахунок реалізації технології LTE-Advanced. Залежно від категорії технології, що підтримується апаратом, може досягатися швидкість 400 Мбіт/с або навіть 1 Гбіт/с!
На відміну від попередніх поколінь, стандарт LTE спочатку призначався лише пакетної передачі даних. Але згодом стала доступною і цифрова передача голосу – за це відповідальна технологія VoLTE. Якість звуку при цьому набагато вища, ніж при розмові через мережі 2G або 3G. Проте, досі цю технологію підтримують далеко не всі смартфони.
П'яте покоління стільникового зв'язку
Зараз триває активна технологія 5G. Можливостей LTE щодо передачі даних цілком вистачає. Тому при створенні нового стандарту максимальний акцент робиться на ємність сот. Адже кількість абонентів зростає дедалі більше. Найбільше 5G полегшить життя творцям пристроїв і девайсів, що об'єднуються в систему. Розумний дім». Очікується, що тільки на площі в 1 км2 буде можливе підключення до мережі одного мільйона гаджетів! Станом на початок 2017 року нове покоління лише тестується. Коли на нас чекає повноцінна його експлуатація – не ясно.
Підтримка старих стандартів
Як відомо, стільниковим операторам доводиться розміщувати на своїх вежах гору обладнання. Теоретично можна було б замінити 2G-передавачі на 3G-передавачі. Але зробити це означає позбавити зв'язку власників мобільних телефонів, що працюють тільки в стандарті GSM. Це призвело б до величезних збитків, тому що навіть зараз подібними апаратами користується величезна кількість людей - всі вони відразу перейшли б до іншого оператора. Ось і виходить, що обладнання доводиться доповнювати, а не міняти.
В найближчому майбутньому відмови від застарілих стандартів не станеться. Пояснюється це двома причинами:
- досі виробляються, а вони часто не підтримують навіть 3G, не кажучи вже про мережі четвертого покоління;
- 2G-обладнання покриває мережею більшу територію, ніж 3G- або 4G-передавачі аналогічної потужності - це дозволяє позбавити певну територію від «білих плям».
Тепер ви знаєте про основні відмінності різних стандартів. Якщо коротко, то насамперед зміні піддавалися ємність сот, ширина покриття (щоразу в меншу сторону, оскільки такі закони більш високочастотних сигналів) і швидкість передачі даних.
Чергове дослідження якості мобільного зв'язкуу Москві, на цей раз якість передачі даних. І чергове пояснення того, чому ця якість - майже недосяжна мрія в суворих умовах безперервних військових дій та адміністративних обмежень.
Інформаційно-аналітичне агентство TelecomDaily організувало свій незалежний заїзд по вулицях Москви з метою оцінити якість роботи стільникових мереж. Цього разу перевірялася виключно передача даних, причому лише передача даних у мережах 3G та 4G. Що теж непогано: нам з вами простіше зосередитися на результатах, а тим, хто тестував, не довелося намагатися «осягнути неосяжне». Технологію EDGE «списувати в брухт» поки що ніхто не збирається, цей режим залишається дуже затребуваним для власників трубок без підтримки 3G, та й покриття EDGE набагато щільніше та надійніше. Але з точки зору динаміки розвитку та перспектив, 3G та 4G набагато цікавіше.
Додатковий, важливий «бонус» тестування – реакція операторів на результати вимірів. Як завжди, у процесі вислуховування пояснень та аргументів ми дізнаємося про щось цікаве. Ще один «бонус» - привернення додаткової уваги до проблеми, що стимулює активніше «ворушення» операторів, а регулюючим органам допомагає не забувати про існування проблеми.
Тестування
Ознайомитися з першоджерелом звіту можна. Тестування мереж операторів «великої трійки» та Yota проводилося з 22 по 26 березня 2013 року та здійснювалося у русі на спеціально обладнаному автомобілі: середня швидкість слідування дорівнювала 27 км/год, загальна довжина маршруту склала понад 700 км. До складу вимірювального комплексувходили звичайні абонентські модеми з підтримкою DC-HSPA (42 Мбіт/с) та LTE (100 Мбіт/с). Здійснювалося завантаження файлу 28 МБ за протоколом HTTP з самого відвідуваного сайту mail.ru.
Що хотілося б обговорити окремо. Параметр "максимальна швидкість" вказувався дійсно за максимальною швидкістю, "моментально" досягнутою обладнанням у процесі спілкування з базовою станцією. Не секрет, що оператори використовують різноманітні шейпери та інші обмежувачі швидкості доступу, це нормально. Наприклад, максимальна швидкість абонентського доступу мережі 4G Yota жорстко обмежена 20 Мбіт/с, але у дослідженні публікуються «максимальні» швидкості на 25% вище (до 24.5 Мбіт/с). Це означає, що в якийсь окремий момент (наприклад, не встиг спрацювати шейпер) швидкість завантаження файлу була зареєстрована саме такою, чим пояснюється 125% (навіть не «офіційно затверджені» 146%!) від теоретично доступного користувачамаксимуму.
Я до того, що результати максимальних швидкостей передачі, напевно, справедливі і знадобляться фахівцям. Але до практично досяжних показників, зважаючи на все, відношення мають дуже непряме. Реальним користувачам краще орієнтуватися на середню швидкість, обчислену за результатами завантаження того самого тестового файлу в 28 мегабайт.
Ще одне питання про розмір файлу. Завантаження тестових 28 мегабайт добре для оцінки якості швидкості завантаження даних у певному місці, це безперечно. Але у русі – навряд чи. Навіть на оголошеній швидкості руху 27 км/год хендовери майже неминучі. Тож машина рухалася, чи все-таки на час виміру зупинялася? Якщо зупинялася, то за опублікованими результатами зупинялася часом на 3 хв 40 з мінімум. Якщо ж не зупинялася, то формулювання «середня швидкість» виявляється з урахуванням пауз на хендовер, що ні коректно. І злегка спантеличує. Наприклад, якщо відстань між БС МТС із підтримкою LTE за маршрутом становила місцями до 3,5 км. (якщо вірити карті покриття), то пауза довжиною 466 секунд у передачі даних «опустила» середню швидкість по району до жалюгідних кілобайт на секунду. Проте, судячи з опублікованих результатів, цього не відбувалося.
Чи то машина старанно слідувала строго за заданим маршрутом, чи невдалі спроби передати файл взагалі не враховувалися у загальній статистиці. Сподіватимемося, що фраза «...середня швидкість слідування дорівнювала 27 км/год» означала саме середню швидкість. Зупинився - кілька хвилин постояв і поміряв - поїхав далі. Проїхав кілька кілометрів, звірився з картою, зупинився, поміряв, поїхав далі. Сподіваюся, що колеги не розорилися на штрафах ДІБДР. Що не кажи, а із середньою швидкістю 27 км/год по Москві в такому режимі не всяка машина з «мигалкою» на даху зможе проїхати.
У будь-якому випадку справа важлива і корисна, дозволяє нам зорієнтуватися в тому, на які швидкості можна розраховувати. Адже на красивих упаковках модемів і роутерів пишуть теоретично досяжні швидкості, що не мають нічого спільного з реальними параметрами передачі даних.
Переможець та результати
Цього року лідером за швидкістю мобільної широкосмугової передачі даних у Москві виявився МТС, який продемонстрував вражаючу середню швидкість як у мережі 3G (5 Мбіт/с.), так і мережі 4G (12,2 Мбіт/с). Очікуваний результат, у МТС нещодавно закінчили широкомасштабний апгрейд своєї мережі у московському регіоні. Плюс, у мережі передачі даних 3G оператор використовує одночасно дві несучі (DC HSPA+ – Dual Carrier HSPA). У такій конфігурації мережі швидкість доступу не відрізняється від 4G, хіба що час відгуку (ping) в середньому більше.
Мегафон минулого року не так активно займався модернізацією та розширенням мережі передачі даних, основні роботи були виконані раніше. Про що свідчать торішні результати аналогічного «заїзду» TelecomDaily. Напевно, свою роль відіграла репутація оператора, що встигла скластися, з «найшвидшим» інтернетом у московському регіоні. Тепер на «перетікання» частини абонентів у МТС буде потрібно деякий час. Ще один фактор – специфіка 4G МТС. Використовуваний зараз у мережі МТС варіант технології (LTE TDD) поки що підтримується порівняно малою кількістю моделей терміналів, а сама мережа ще страждає на виражену «плямистість» покриття.
Yota та Мегафон використовують спільну мережу 4G (Мегафон як MVNO, віртуальний оператор), але виділяти їх в окремі рядки таблиці сенс був. Різні налаштування сегментів мережі, різні принципи боротьби з перевантаженнями, відсутність/наявність обмежень і, зрештою, різна кількість активних абонентів та різні профілі користувача.
Як бачимо, «швидкісні показники» мереж усіх операторів за рік суттєво покращилися, незважаючи на явно збільшене число користувачів. Цікаво буде подивитися на результати аналогічного тесту наступного року, коли Білайн остаточно (сподіваюся) "доведе до розуму" свою мережу передачі даних у московському регіоні. Обнадійливі ознаки покращень та позитивні коментарі вже регулярно з'являються, та й результати нинішнього тестування виявилися кращими за очікувані. Подивимося що буде далі.
Карта МТС
За деякий час після тестування МТС виклали на сайті цікаву карту покриття. З детальною розбивкою «шарами» за діапазонами та технологіями подивитися можна. Корисна картка, дуже рекомендую. Якщо пам'ятаєте, коли оператори викладали на своїх сайтах окремі карти покриття «простого» GSM і EDGE, десять років тому це було дуже актуально. На жаль, від цієї гарної практики зараз відмовилися, що іноді вводить споживачів в оману. Наприклад, заплатила людина додаткові гроші МТС за дію свого безлімітного інтернетуу Калузькій області, а там навіть EDGE «поряд не валявся». Голий та перевантажений GPRS на базовій станції, виготовленій майже в минулому столітті. В наші дні такий мобільний інтернетвже згадується зі здриганням. За межами московського регіону і у колег по «великій трійці» інтернет часто не тішить, це сумний факт.
Втім, розбивка зон покриття на GPRS/EDGE вже не є особливо актуальною, все-таки зон «тільки GPRS» стає все менше. А ось позначення різним кольором UMTS 900, UMTS 2100 і DC HSPA+ дуже знадобиться. Є можливість зорієнтуватися і зрозуміти, чи не настав час міняти пристрій на більш сучасний.
Проблеми та шляхи їх вирішення
Як ми вже не раз писали і що багато разів відзначали в уряді, міністерствах та Департаменті інформаційних технологій, Москва - особливе місто, яке відрізняється порівняно низькою якістю роботи стільникових мереж. У тому числі далеко не найкращою якістюпередачі даних у всіх чинних стандартах та діапазонах. Своїм баченням основних перешкод, що заважають мережам розвиватися, ділилося керівництво московського Мегафона. Деякі тези з бесіди, яка була присвячена цій наболілій темі.
- Частоти, які доводиться ділити з військовими. Південь Москви та прилеглі частини московської області – відома біда. Локально і так-сяк вирішується діапазоном UMTS 900, але не все абонентське обладнання підтримує 3G в цьому діапазоні. Проблема жорстких обмежень за потужністю та направленням антен по всій території Москви теж вирішується, але дуже недешево. Там, де вистачило б однієї БС, ставлять три-чотири, а хто за це платить? Зрештою, платимо ми з вами, інших грошей оператори не мають. Але це окрема тема.
- Питання добування майданчиків під розміщення базових станцій у Москві вже давно у категорії «наболілих». Для розміщення станції на житловому будинку потрібна згода 2/3 власників квартир, а число і пропорція приголосних/незгодних варіюється в найширших межах. Сьогодні Вася Пупкін погодився на встановлення БС та три чверті мешканців його підтримали, а за місяць ініціативний Федя Папкін організував збір підписів під петицією про термінову ліквідацію антен. Через зниження надою корів, що пасуться на московських Патріарших ставках. І ті ж три чверті мешканців його підтримають, силами місцевого електрика кабель живлення обріжуть. А куди прилаштовувати встановлену БС?
- З нежитловими та адміністративними будинками простіше. У тому сенсі що сюрпризи рідше. Але все одно регулярно бувають. Змінився чиновник, а новий «господар» задумався про «корупційну складову» договору. І вирішив, що «складник» непристойно мала, треба переглядати. Частий підсумок «перегляду» - відключення та перенесення БС у менш вдале місце. З паузою у півроку-рік. На жаль, господарюючі чиновники ніяк не обмежені у свободі прийняття рішень, зобов'язання щодо розміщення базових станцій ніде не «прописані». Спробували б вони поторгуватися з Роспожнаглядом за ціну оренди місця встановлення пожежного гідранту, ага.
- «Гаряче» та обговорюване питання Network Sharing (спільне використання базових станцій). Заманливо. Але, історично та адміністративно оператори розвивають власні інфраструктури, це «одразу» не змінити постановою уряду. Не кажучи вже про те, що Network Sharing "спрацює" (якщо спрацює) тільки в LTE і частково в 3G.
- Швидкий та динамічний розвиток міста. Наприклад, на даний моментв Москві будується близько 280 об'єктів високої поверховості, що неминуче вимагатиме серйозного перегляду планування сотів і до встановлення нових базових станцій. Тільки для компенсації екранування питання індор-покриття нових будівель вирішуватимуться окремо.
- Зрештою, наша рідна «адміністративка». На сьогоднішній день повний цикл оформлення будівництва та запуску в експлуатацію базової станції займає півроку, 200 днів – нормальний термін на всі бюрократичні тонкощі. Тільки «паперові справи» після того, як місце знайдено та з власником будівлі/майданчика все погоджено. Це до питання про типову претензію: «Тут не ловить, я їм уже три місяці тому написав і заявку зареєстрували! А в мене досі не ловить! ».
Сьогодні важко уявити стільниковий зв'язок без передачі даних. Для абонентів вже стало звичним перевірити пошту або відвідати кілька веб-сторінок. Багато послуг, що надаються оператором, використовують підключення до Інтернету. Передачу даних через стільникові системи зв'язку часто використовують для доступу до мережі Інтернет мобільних комп'ютерівщо робить їх по-справжньому мобільними. Проте задовільні швидкості передачі не завжди доступні для абонентів. Отже, простежимо еволюцію технологій передачі даних у стільникових системахзв'язку.
На зорі стільникового зв'язку, коли стільниковий телефон використовувався насамперед як телефон, тобто. для того, щоб здійснювати дзвінки, для стандарту (1981 рік) було запропоновано нову послугу – передачу даних. Максимальна швидкість обмежена 1,2 кбіт/сек. У ті часи ще не було Інтернету, і основне призначення даної послуги було передача тексту. Однак на той час ця послуга не знайшла особливого інтересу до себе і лише кілька операторів вирішили її реалізувати на практиці.
Експлуатація систем стільникового зв'язку показала зацікавленість абонентів у високошвидкісній передачі даних, що створило передумову появи стандарту третього покоління – (Universal Mobile Telecommunications System). Максимальна швидкість передачі даних даного стандарту обмежується 2 Мбіт/сек. Таке збільшення швидкості, перш за все, обумовлено змінами способу передачі даних між базовою станцією і терміналом абонента. Наступним кроком стала поява технології (High Speed Downlink Packet Access), яка надає швидкості передачі вже до 14,4 Мбіт/сек. Зміни в даному випадку зазнали даних на шляху від базової станції до телефону. Таким чином, завдяки технології стільникові мережізв'язки практично зрівнялися за швидкістю з провідними технологіями.
Проте обсяги інформації, що передається по телекомунікаційних мережах, збільшується щорічно і навіть технологія перестане задовольняти потреби користувачів. Щоб на довгий час вперед вирішити проблему пропускної спроможності було розроблено стандарт, який отримав назву (Long Term Evolution). Крім збільшення швидкості даний стандартдозволяє збільшити ємність мережі, знизити якість та посилити безпеку. Максимальна швидкість передачі теоретично може досягати 3264 Мбіт/сек. Подібні швидкості може запропонувати хіба що оптоволоконна система зв'язку. У грудні 2009 року було запущено в комерційну експлуатацію першу систему стільникового зв'язку цього стандарту. У найближчі 2 роки мережі