Стандарты сотовой связи в России

3G, 4G, 5G – эти короткие буквенно-цифровые обозначения стандартов сотовой связи у всех на слуху. Что они означают? Какие из них уже ушли в прошлое, а какие продолжают использоваться в наше время? В чём разница между ними? Ответы на эти вопросы, изложенные простыми словами, можно найти в этой статье.

Итак, стандартом сотовой связи называется структура технологических параметров и соответствующих соглашений, на основе которых и обеспечивается функционирование мобильной связи. Это определение для общепринятых обозначений специальных технологий, используемых для устойчивой работы сотовой связи повсюду в мире.

Буквенное обозначение «G» в названии стандарта сотовой связи происходит от английского слова «Generation» («поколение»). То есть, буквенно-цифровые обозначения расшифровываются как – первое, второе, третье поколение, и так далее.

Начнём по порядку.

1G – первое поколение

Это устаревший аналоговый стандарт, родом из той эпохи, когда телефоны стали доступными для пользования в любом месте без проводов, помещались в карман и могли только совершать и принимать звонки. Никаких социальных сетей, никакого фотографирования; передачи и загрузки фотографий. Никаких беспроводных точек доступа. А стоимость минуты разговора была такой, что мобильный телефон мог себе позволить далеко не каждый человек.

Модемы существовали, но тогдашняя беспроводная связь была подверженной шумам и искажениям гораздо сильнее, чем обычная проводная, и скорость передачи данных была чрезвычайно медленной.

Вообще, первая в мире автоматическая система мобильной связи «Алтай» была введена в эксплуатацию в Москве, ещё в 1963 году. Полноценные беспроводные телефоны устанавливались в автомобилях. По ним можно было говорить, как и по обычным стационарным телефонам, в дуплексном режиме. Чтобы позвонить на другой телефон системы «Алтай» или на обычный стационарный телефон, нужно было просто набрать номер, без каких-либо переключений каналов и разговора с диспетчером.

Но с коммерческим воплощением в жизнь новаторских технологических проектов в Советском Союзе было туго. Аналогичная система в Соединённых Штатах, IMTS (Improved Mobile Telephone Service), была запущена в опытной зоне на год позже. И ещё в конце 60-х там задумывались о том, как бы превратить её в коммерческий проект. Способный не только окупать себя, но и приносить прибыль от предоставления абонентам услуг связи.

До конкретного массового воплощения этих идей дело дошло лишь в конце 80-х / начале 90-х –в США, Японии и Скандинавии (Норвегия, Дания, Швеция и Финляндия).

Эти сети 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.

Европейский стандарт 1G (используемый и у нас в России) обозначался NMT-450 (Nordic Mobile Telephone, используется 450 МГц). В Северной Америке он назывался AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Потом на его основе компанией «Моторола» был разработан более продвинутый TACS (Total Access Communications System).

Он был принят в качестве не только в США и Канаде, но также в Великобритании и в большинстве бывших заморских стран Британской империи. Эксплуатация последнего фрагмента этого типа сетей в Великобритании была прекращена 31 мая 2001 года (оператор Vodafone).

Японский стандарт первого поколения назывался NTT (Nippon Telegraph and Telephone) – по одноимённой компании, которая постепенно распространила его действие с Токио на другие районы Страны восходящего солнца.

2G – второе поколение

Второе поколение – это триумф стандарта GSM (Global System for Mobile communications) – первого не аналогового, а цифрового стандарта, ставшего основным в большинстве стран. Технология GSM ввела во всеобщий обиход SIM-карты (Subscriber Identity Module), на которых зафиксированы телефонный номер и информация об абоненте.

SIM-карты стали выдаваться абонентам при заключении договоров на предоставление услуг связи и могли вставляться в любой (нелоченый) телефонный аппарат GSM нужного диапазона.

Цифровые сотовые сети имели ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми системами. Улучшенное качество звука, бо́льшая защищенность, повышенная производительность.

Стандарт GSM также ввёл в оборот передачу коротких текстовых сообщений (SMS), а также технологию CSD, которая позволила передавать данные на станцию в цифровом виде. Это фактически означало, что абонент мог передавать данные быстрее – до 14,4 кбит/с, что было выше скорости стационарных модемов, но тоже ещё не очень много.

Для того, чтобы инициировать передачу данных с помощью технологии CSD, необходимо было совершить специальный «вызов». Это было похоже на телефонный модем – вы или были подключены к сети, или нет.

Большим шагом вперёд стало появление технологии GPRS (General Packet Radio Service), в 1997-м году. Она предложила для существующих GSM сетей технологию непрерывной передачи данных. С использованием новой технологии, абоненты могли использовать передачу данных тогда, когда это необходимо – без CSD, похожей на телефонный модем. GPRS смогла работать с бо́льшей, чем CSD, скоростью – до 100 кбит/с (теоретически; на практике, правда, получалось 40 кбит/с), а операторы получили возможность тарифицировать трафик, а не время на линии.

GPRS появился в очень подходящий момент – когда люди начали активно пользоваться электронной почтой и непрерывно проверять свои электронные почтовые ящики. 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 теоретически до 1Мбит/с (реально до 512 кбит/с).

Технологии EDGE и GPRS относятся к поколению 2G. Однако они и сегодня распространены практически повсеместно. EDGE и GPRS используются для доступа мобильного телефона к интернету там, где нет покрытия 3G или 4G. Опознать тип (а значит и узнать максимальную скорость соединения) можно, взглянув на значок интернет-подключения в верхней части экрана телефона. Буква G будет означать GPRS со скоростью до 50 кбит/с, а E, соответственно, EDGE со скоростью выше 50 кбит/с.

3G – третье поколение

Начало третьего 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.

Именно применение кодового разделения для опознания трафика конкретного абонента, а также отход от привязки к телефонными сетями общего пользования и стали определяющими чертами стандарта сотовой связи 3G.

Данный тип сетей, как и GPRS, имеет прямую связь как с ТСОП, так и с интернет-провайдером, что в сочетании с широким пропускным каналом позволяет реализовать доступ к интернету на скоростях свыше 1 Мбит/с.

Альтернативным и усовершенствованным стандартом поколения 3G стал 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 и у нас в России началась поддержка этой технологии, а также переход сотовой связи на стандарт 3G.

Но в итоге, в Европе и странах бывшего СССР бо́льшее распространение получил более совместимый стандарт UMTS (Universal Mobile Telecommunications System – Универсальная Мобильная Телекоммуникационная Система), по принципу работы схожий с WCDMA, но действующий 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 тоже немало).

Дальнейшим развитием UMTS стали уже современные 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 реализовали собой переходные стандарты развития третьего поколения мобильной связи, которое уже перешагивает в поколение четвёртое.

В обычном обиходе, на практике, в строке уведомлений мобильного телефона при работе в сетях третьего поколения может отображаться один из трёх индикаторов: 3G – сеть стандарта UMTS; или H – сеть стандарта HSPA; либо H+, что означает сеть стандарта HSPA+.

4G – четвёртое поколение

Стандарт сотовой связи 4G базируется на высокоскоростных современных технологиях LTE (Long-Term Evolution – долговременное развитие) и WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access – всемирное взаимодействие для микроволнового доступа).

Технология LTE стала прямым потомком GSM. Она обратно совместима с оборудованием для работы EDGE и HSPA, но несовместима с интерфейсами 2G и 3G на устройствах пользователей, поскольку требует наличия отдельных дополнительных модулей, которых нет в старых смартфонах.

LTE работает в расширенном диапазоне частот (от 1400 до 2000 МГц), за счёт чего обеспечивает скорость загрузки 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 у предшественников, и составляет от 3.2 до 19.7 км (в зависимости от мощности базовой станции) с потерями в скорости до 1Мбит/с.

Поскольку «больше радиус – значит, меньше затрат на модернизацию» – операторы сотовой связи охотно и активно занялись внедрением LTE во всех крупных и не очень больших городах России.

Спецификация LTE Advanced стала главной модернизацией сетевой технологии LTE. Эта спецификация получила устойчивую заявленную скорость до 1 Гбит/с у неподвижных абонентов и 300 Мбит/с – у передвигающихся.

Была также введена в употребление модернизация под наименованием LTE Advanced Pro. Она стала ещё более улучшенной версией технологии LTE. Возможная скорость передачи данных составляет до 3 Гбит/с. Так же этот стандарт обладает поддержкой и других новых технологий, которые непосредственно связанны с сетью 5G, что позволяет в недалеком будущем стандарту LTE Advanced Pro уверенно поддерживать сети нового пятого поколения – 5G.

Ещё более перспективной технологией стала WiMAX. В отличие от всех предыдущих своих предшественников, она имеет больше общего не с привычным GSM, а с WiFi. Она базируется на той же ветке спецификаций (IEEE 802.16), что и домашние беспроводные сети.

Однако, если WiFi имеет маленький радиус покрытия, то WiMAX с самого начала разрабатывался как беспроводной стандарт широкополосной передачи данных на расстояниях свыше 1 км (до 80-ти км).

Высокие скорости и большая ёмкость соты в WiMAX достигается благодаря широкой полосе используемого высокочастотного диапазона (1.5-11 ГГц). Поэтому данную технологию возможно использовать не только для телекоммуникационных нужд, но также и для создания объединённой сети разрозненных точек доступа WiFi; для организации различных систем удалённого мониторинга и контроля; для реализации зоны покрытия мобильной связи и интернета в труднодоступных местах и в местах со слабой коммерческой отдачей от услуг связи.

На сегодняшний день (2023-й год) мобильные сети WiMAX ещё только вводятся в эксплуатацию в самых крупных и развитых городах России и других республик бывшего Советского Союза.

Однако, параллельно уже активно ведутся изыскания в сфере внедрения ещё более производительных сетей пятого поколения. Сети стандарта сотовой связи 5G будут дальнейшим развитием WiMAX 2 – с зоной покрытия до 150 км и скоростями до 1 Гбит/с.

5G – пятое поколение

Сотовая связь нового поколения 5G ещё не используется в России и СНГ. В перспективе, она должна будет обеспечивать заметно бо́льшую пропускную способность, в сравнении с 4G, отличаться малой задержкой, скоростью передачи данных в 1—2 Гбит/с, более экономным и меньшим расход батареи устройства.

5G функционирует на бо́льших частотах, чем современное поколение 4G, поэтому имеет маленький радиус покрытия – 200-300 метров. В результате, базовые станции 5G должны располагаться через каждые несколько сотен метров, чтобы использовать эти высокие частоты. Кроме того, настолько высокочастотные сигналы с большими потерями проникают через стены. Поэтому для обеспечения высокого качества связи миниатюрные базовые станции 5G должны располагаться и внутри зданий, таких, как, например, торговые центры.

Развёртывание мобильных сетей пятого поколения 5G с таким густым и повсеместным размещением базовых станций вызвало обеспокоенность общественности – в связи с возможными негативными последствиями для здоровья человека из-за увеличения воздействия радиочастотных электромагнитных полей, способных повреждать клеточные мембраны.

Однако, по состоянию на 2023 год, не было найдено никаких доказательств вреда от высокочастотного электромагнитного излучения низкой мощности, которое используется в аппаратуре 5G. Поэтому аргументы против распространения этого нового стандарта сотовой связи признаются голословными и конспирологическими.

Впервые концепцию технологии Pre-5G в июне 2014 года предложила китайская компания ZTE. В марте 2015 года на выставке Mobile World Congress в Барселоне ZTE представила базовую станцию Pre-5G Massive MIMO.

14 июля 2016 года Федеральная комиссия по связи США (FCC) одобрила спектр частот для 5G. В 2016 году оборудование 5G начало эксплуатировать диапазоны частот 28 ГГц в США и 39 ГГц в Европе.

В 2020 году компания Nokia сообщила о достижении рекордной скорости беспроводной передачи – 4,7 Гбит/сек (примерно 590 МБ/сек), используя в своём серийном оборудовании 5G-технологию.

У нас в России первые тесты технологии Pre-5G проведены в июне 2016 оператором связи «МегаФон» совместно с «Хуавэй». В сентябре МТС при тестировании на канале связи с частотой 4,65-4,85 ГГц была достигнута скорость передачи данных 4,5 Гбит/с.

5 июня 2019 года МТС и «Хуавэй» подписали соглашение о развитии 5G в России, причём торжественная церемония подписания прошла в присутствии Владимира Путина и Си Цзиньпина.

В начале августа в Москве на Тверской улице (от Кремля до Садового кольца) компании была запущена пробную зону сети связи 5G на частоте 28 ГГц в режиме NSA (non-standalone), который позволяет развернуть 5G в сетях LTE и упрощает внедрение стандарта на начальном этапе. А в октябре пробные зоны 5G заработали также на территориях ВДНХ и спортивного комплекса «Лужники».

Использование стандартов сотовой связи в России сегодня

На сегодняшний день (2023-й год) самым распространённым и самым быстрым стандартом сотовой связи в крупных городах России является 4G. В населённых пунктах помельче – стандарт 3G.

Четвёртое поколение связи имеет обширное и устойчивое покрытие в городах России, имея при этом высокую скорость передачи данных 100 Мбит/с — 1 Гбит/с, что делает её использование очень комфортным для многих российских пользователей и клиентов. Телефоны ведь уже давно перестали быть просто телефонами, а превратились в универсальные интернет-коммуникаторы.

Единственный момент: энергопотребление при использовании стандарта 4G заметно больше, чем у прошлого поколения 3G – разница составляет около 20-ти процентов.

28 июля 2020 года МТС получил лицензию на оказание услуг мобильной связи стандарта 5G в диапазоне 24,25-24,65 ГГц в 83-х регионах нашей страны. В ноябре 2020 года Правительственная комиссия по цифровому развитию наметила план мероприятий по развитию мобильных сетей связи пятого поколения (5G) в России.

Реализация этого плана связана с внедрением нового российского оборудования и планомерным развёртыванием 5G на территории нашей страны.

5G не просто новый стандарт сотовой связи, внедрение сетей 5-го поколения в долгосрочной перспективе изменит экономику сетей: средняя скорость передачи увеличится в 40 раз, а себестоимость доставки напротив уменьшится в 30 раз.