Новые стандарты передачи данных сотовой связи. Эволюция технологий передачи данных в сотовых системах связи
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.
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 . 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 км 2 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:
- 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.
Очередное исследование качества мобильной связи в Москве, на этот раз качества передачи данных. И очередное объяснение того, почему это качество - почти недостижимая мечта в суровых условиях непрекращающихся военных действий и административных ограничений.
Информационно-аналитическое агентство TelecomDaily организовало свой независимый «заезд» по улицам Москвы с целью оценить качество работы сотовых сетей. На этот раз проверялась исключительно передача данных, причём только передача данных в сетях 3G и 4G. Что тоже неплохо: нам с вами проще сосредоточиться на результатах, а тестировавшим не пришлось пытаться «объять необъятное». Технологию EDGE «списывать в утиль» пока никто не собирается, этот режим остается очень востребованным для владельцев трубок без поддержки 3G, да и покрытие EDGE намного плотнее и надежнее. Но с точки зрения динамики развития и перспектив, 3G и 4G намного интереснее.
Дополнительный, важный «бонус» тестирования - реакция операторов на результаты замеров. Как обычно, в процессе выслушивания объяснений и аргументов мы узнаём что-то интересное. Еще один «бонус» - привлечение дополнительного внимания к проблеме, что стимулирует более активное «шевеление» операторов, а регулирующим органам помогает не забывать о существовании проблемы.
Тестирование
Ознакомиться с первоисточником отчета можно . Тестирование сетей операторов «большой тройки» и Yota проводилось с 22 по 26 марта 2013 года и осуществлялось в движении на специально оборудованном автомобиле: средняя скорость следования равнялась 27 км/ч, общая протяженность маршрута составила более 700 км. В состав измерительного комплекса входили обычные абонентские модемы с поддержкой DC-HSPA (42 Мбит/с) и LTE (100 Мбит/с). Осуществлялась загрузка файла 28 МБ по протоколу HTTP с самого посещаемого сайта mail.ru .
Что хотелось бы оговорить отдельно. Параметр «максимальная скорость» указывался действительно по максимальной скорости, «моментально» достигнутой оборудованием в процессе общения с базовой станцией. Не секрет, что операторы используют разнообразные шейперы и прочие ограничители скорости доступа, это нормально. Например, максимальная скорость абонентского доступа на сети 4G Yota жестко ограничена 20 Мбит/с, но в исследовании публикуются «максимальные» скорости на 25% выше (до 24.5 Мбит/с). Это означает, что в какой-то отдельный момент (например, не успел сработать шейпер) скорость скачивания файла была зарегистрирована именно такой, чем и объясняется 125% (даже не «официально утвержденные» 146% !) от теоретически доступного пользователю максимума.
Я к тому, что результаты максимальных скоростей передачи наверняка справедливы и пригодятся специалистам. Но к практически достижимым показателям, судя по всему, отношение имеют очень косвенное. Реальным пользователям лучше ориентироваться на среднюю скорость, вычисленную по результатам загрузки того самого тестового файла в 28 мегабайт.
Еще один вопрос, о размере файла. Скачивание тестовых 28 мегабайт хорошо для оценки качества скорости загрузки данных в определенном месте, это бесспорно. Но в движении - вряд ли. Даже на объявленной скорости движения 27 км/час хэндоверы почти неизбежны. Так машина двигалась, или все-таки на время замера останавливалась? Если останавливалась, то, по опубликованным результатам, останавливалась временами на 3 мин 40 с минимум. А если не останавливалась, то формулировка «средняя скорость» оказывается с учетом пауз на хэндовер, что не совсем корректно. И слегка озадачивает. Например, если расстояние между БС МТС с поддержкой LTE по маршруту составляло местами до 3,5 км. (если верить карте покрытия), то пауза длиной 466 секунд в передаче данных «опустила» бы среднюю скорость по району до жалких килобайт в секунду. Однако, судя по опубликованным результатам, этого не происходило.
То ли машина старательно следовала строго по заданному маршруту, то ли неудачные попытки передать файл вообще не учитывались в общей статистике. Будем надеяться, что фраза «...средняя скорость следования равнялась 27 км/час» означала именно среднюю скорость. Остановился - пару-тройку минут постоял и померил - поехал дальше. Проехал несколько км, сверился с картой, остановился, померил, поехал дальше. Надеюсь, что коллеги не разорились на штрафах ГИБДД. Что ни говори, а со средней скоростью 27 км/час по Москве в таком режиме не всякая машина с «мигалкой» на крыше сумеет проехать.
В любом случае, дело важное и полезное, позволяет нам сориентироваться в том, на какие скорости можно рассчитывать. А то ведь на красивых упаковках модемов и роутеров пишут теоретически достижимые скорости, не имеющие ничего общего с реальными параметрами передачи данных.
Победитель и результаты
В этом году лидером по скорости мобильной широкополосной передачи данных в Москве оказался МТС, продемонстрировавший впечатляющую среднюю скорость как в сети 3G (5 Мбит/с.), так и в сети 4G (12,2 Мбит/с). Ожидаемый результат, в МТС не так давно закончили широкомасштабный апгрейд своей сети в московском регионе. Плюс, в сети передачи данных 3G оператор использует одновременно две несущие (DC HSPA+ - Dual Carrier HSPA). В такой конфигурации сети скорость доступа не особо отличается от 4G, разве что время отклика (ping) в среднем больше.
МегаФон в прошлом году не так активно занимался модернизацией и расширением сети передачи данных, основные работы были выполнены раньше. О чем наглядно свидетельствуют прошлогодние результаты аналогичного «заезда» TelecomDaily. Наверное, свою роль сыграла и успевшая сложиться репутация оператора с самым «быстрым» интернетом в московском регионе. Теперь на «перетекание» части абонентов в МТС потребуется некоторое время. Еще один фактор - специфика 4G МТС. Используемый сейчас в сети МТС вариант технологии (LTE TDD) пока поддерживается сравнительно малым количеством моделей терминалов, а сама сеть еще страдает выраженной «пятнистостью» покрытия.
Yota и МегаФон используют общую сеть 4G (МегаФон в качестве MVNO, виртуального оператора), но выделять их в отдельные строки таблицы смысл был. Разные настройки сегментов сети, разные принципы борьбы с перегрузками, отсутствие/наличие ограничений и, в конце концов, разное число активных абонентов и разные пользовательские профили.
Как видим, «скоростные показатели» сетей всех операторов за год существенно улучшились, несмотря на явно выросшее число пользователей. Интересно будет посмотреть на результаты аналогичного теста в следующем году, когда Билайн окончательно (надеюсь) «доведёт до ума» свою сеть передачи данных в московском регионе. Обнадеживающие признаки улучшений и позитивные комментарии уже регулярно появляются, да и результаты нынешнего тестирования оказались лучше ожидаемых. Посмотрим, что будет дальше.
Карта МТС
Через некоторое время после тестирования МТС выложили на сайте интересную карту покрытия. С подробной разбивкой «слоями» по диапазонам и технологиям посмотреть можно . Полезная карта, очень рекомендую. Если помните, когда-то операторы выкладывали на своих сайтах отдельные карты покрытия «простого» GSM и EDGE, десять лет назад это было очень актуально. К сожалению, от этой хорошей практики сейчас отказались, что иногда вводит потребителей в заблуждение. Например, заплатил человек дополнительные деньги МТС за действие своего безлимитного интернета в Калужской области, а там даже EDGE «рядом не валялся». Голый и перегруженный GPRS на базовой станции, изготовленной чуть ли не в прошлом веке. В наши дни такой мобильный интернет уже вспоминается с содроганием. За пределами столичного региона и у коллег по «большой тройке» интернет частенько не радует, это печальный факт.
Впрочем, разбивка зон покрытия на GPRS/EDGE уже не особо актуальна, всё-таки зон «только GPRS» становится всё меньше. А вот обозначение разным цветом UMTS 900, UMTS 2100 и DC HSPA+ очень даже пригодится. Есть возможность сориентироваться и понять, не пора ли менять устройство на более современное.
Проблемы и пути их решения
Как мы уже не раз писали и что многократно отмечали в правительстве, министерствах и Департаменте информационных технологий, Москва - особый город, отличающийся сравнительно низким качеством работы сотовых сетей. В том числе далеко не лучшим качеством передачи данных во всех действующих стандартах и диапазонах. Своим видением основных препятствий, мешающих сетям развиваться, делилось руководство столичного МегаФона. Некоторые тезисы из беседы, которая была посвящена этой наболевшей теме.
- Частоты, которые приходится делить с «военными». Юг Москвы и прилегающие части московской области - известная беда. Локально и кое-как решаемая диапазоном UMTS 900, но не всё абонентское оборудование поддерживает 3G в этом диапазоне. Проблема жестких ограничений по мощности и направлению антенн по всей территории Москвы тоже решается, но очень недёшево. Там, где хватило бы одной БС, ставят три-четыре, а кто за это платит? В конечном счёте, платим мы с вами, других денег у операторов нет. Но это очень отдельная тема.
- Вопрос добывания площадок под размещение базовых станций в Москве уже давно в категории «наболевших». Для размещения станции на жилом доме требуется согласие 2/3 владельцев квартир, а число и пропорция согласных/несогласных варьируется в широчайших пределах. Сегодня Вася Пупкин согласился на установку БС и три четверти жителей его поддержали, а через месяц инициативный Федя Папкин организовал сбор подписей под петицией о срочной ликвидации антенн. По причине снижения удоя коров, пасущихся на московских Патриарших прудах. И те же три четверти жителей его поддержат, силами местного электрика кабель питания обрежут. А куда пристраивать установленную БС?
- С нежилыми и административными зданиями проще. В том смысле, что сюрпризы реже. Но всё равно регулярно бывают. Сменился чиновник, а новый «хозяин» задумался о «коррупционной составляющей» договора. И решил, что «составляющая» неприлично мала, надо пересматривать. Частый итог «пересмотра» - отключение и перенос БС в менее удачное место. С паузой в полгода-год. К сожалению, хозяйствующие чиновники никак не ограничены в свободе принятия решений, обязательства по размещению базовых станций нигде не «прописаны». Попробовали бы они поторговаться с «Роспожнадзором» за цену аренды места установки пожарного гидранта, ага.
- «Горячий» и обсуждаемый вопрос Network Sharing (совместное использование базовых станций). Заманчиво. Но, исторически и административно операторы развивают собственные инфраструктуры, это «в одночасье» не изменить постановлением правительства. Не говоря уже о том, что Network Sharing «сработает» (если сработает) только в LTE и частично в 3G.
- Быстрое и динамичное развитие города. К примеру, на данный момент в Москве строится порядка 280 объектов высокой этажности, что неизбежно потребует серьезного пересмотра планирования сот и доустановки новых базовых станций. Только для компенсации возникающего экранирования вопросы индор-покрытия новых зданий будут решаться отдельно.
- Наконец, наша родная «административка». На сегодняшний день полный цикл оформления строительства и запуска в эксплуатацию базовой станции занимает полгода, 200 дней - нормальный срок на все бюрократические тонкости. Только «бумажные дела» после того, как место найдено и с владельцем здания/площадки всё согласовано. Это к вопросу о типичной претензии: «Здесь не ловит, я им уже три месяца назад написал, и заявку зарегистрировали! А у меня до сих пор не ловит!!!».
Сегодня трудно себе представить сотовую связь без передачи данных. Для абонентов уже стало привычным проверить почту или посетить пару web-страниц. Многие услуги, предоставляемые оператором, используют подключение к сети Интернет. Передачу данных через сотовые системы связи часто используют для доступа в сеть Интернет с мобильных компьютеров, что делает их по-настоящему мобильными. Однако удовлетворительные скорости передачи данных были не всегда доступны для абонентов. Итак, проследим эволюцию технологий передачи данных в сотовых системах связи.
На заре сотовой связи, когда сотовый телефон использовался в первую очередь как телефон, т.е. для того чтобы совершать звонки, для стандарта (1981 год) была предложена новая услуга – передача данных. Максимальная скорость была ограничена 1,2 кбит/сек. В те времена еще не было сети Интернет, и основное назначение данной услуги было передача текста. Однако в то время эта услуга не нашла особого интереса к себе и лишь несколько операторов решили реализовать ее на практике.
Эксплуатация систем сотовой связи показала заинтересованность абонентов в высокоскоростной передаче данных, что создало предпосылку для появления стандарта третьего поколения – (Universal Mobile Telecommunications System). Максимальная скорость передачи данных для данного стандарта ограничивается 2 Мбит/сек. Такое увеличение скорости, прежде всего, обусловлено изменениями в способе передачи данных между базовой станцией и терминалом абонента. Следующим шагом стало появление технологии (High Speed Downlink Packet Access), которая предоставляет скорости передачи данных уже до 14,4 Мбит/сек. Изменению в данном случае подвергся данных на пути от базовой станции к телефону. Таким образом, благодаря технологии сотовые сети связи практически сравнялись по скорости с проводными технологиями.
Однако объемы передаваемой информации по телекоммуникационным сетям увеличивается ежегодно и даже технология перестанет удовлетворять потребности пользователей. Чтобы на долгое время вперед решить проблему пропускной способности был разработан стандарт , который получил название (Long Term Evolution). Кроме увеличения скорости данный стандарт позволяет увеличить емкость сети, снизить качество и усилить безопасность. Максимальная скорость передачи теоретически может достигать 326,4 Мбит/сек. Подобные скорости может предложить разве что оптоволоконная система связи. В декабре 2009 года была запущена в коммерческую эксплуатацию первая система сотовой связи этого стандарта. В ближайшие 2 года сети