Сотовые сети 2G, 3G, 4G, 5G — как работают и в чем разница
Содержание
Содержание
Сотовая связь является основой современных коммуникаций. Технически это одна из разновидностей радиосвязи, в которой абоненты связываются друг с другом с помощью сети базовых станций, принимающих и ретранслирующих сигнал от приемопередатчиков пользователей. Для того, чтобы связь была доступна везде, в любом месте и любое время, независимо от того, где находитесь вы и ваш собеседник, таких базовых станций должно быть очень много, чтобы покрыть максимум площади и обеспечить одновременную связь сразу множеству абонентов.
Именно из-за карты покрытия сети этот вид связи и назвали «сотовой». Все дело в том, что зоны покрытия от каждой станции немного накладываются на соседние, чтобы обеспечить непрерывность нахождения пользователя в сети. Поэтому, когда вы смотрите на схему размещения и покрытия сверху, то круги, показывающие зону действия каждой базовой станции, пересекаясь друг с другом, образуют контур, напоминающий пчелиные соты.
Сотовая связь стала привычным явлением, поэтому сейчас сложно представить, что относительно недавно ее не было: например, в России мобильная связь начала массово распространяться только в начале XXI века. В силу того, что в России массовая сотовая связь появилась несколько позже, чем в остальном мире, у нас быстро появились сети 2G, а сети первого поколения разворачивались не везде и проработали недолго. Поэтому коротко расскажем об особенностях сотовых сетей, начиная со второго поколения 2G и заканчивая 5G, внедрения которого все ждут.
Сотовые сети 2G, 3G, 4G, 5G: в чем основное отличие
Если говорить коротко, то основным отличием сотовых сетей разных поколений является скорость передачи данных, становившаяся все быстрее по мере развития технологий и быстродействия оборудования. Немного остановимся на особенностях каждого из стандартов.
Сотовые сети 2G
Первоначально стандарт 2G использовался только для мобильной телефонии. В России и Европе сети 2G построили на основе стандарта GSM 900, который затем развился в GSM 1800. Первый стандарт использует для работы частоту 900 МГц, второй — 1800 МГц. Преимущество GSM 1800 заключается в увеличенной емкости сети, хотя соты и покрывают меньшую площадь по сравнению с GSM 900. В сетях 2G на момент запуска можно было передавать короткие текстовые сообщения SMS и данные со скоростью медленного телефонного модема — до 14,4 кБит/с.
Ситуация изменилась в 1997 году, когда разработали и внедрили сервис «General Packet Radio Service» (GPRS) – надстройку над телефонным каналом мобильной связи, предназначенную для передачи данных. Максимальная скорость передачи данных через GPRS теоретически составляла до 171,2 кБит/с, практически — значительно ниже. На сегодня это уже откровенно мало, но на момент запуска было очень хорошо, потому что это было время, когда пользователи начали в массовом порядке осваивать электронную почту.
Сети с использованием GPRS получили индекс 2,5G, потому что до уже утвержденных к тому моменту норм стандарта 3G они не дотягивали. В дальнейшем появилось еще и 2,75G – технология EDGE, отличающаяся от GPRS способом кодирования и увеличенной скоростью передачи данных. Внедрение EDGE позволило повысить скорость передачи данных до 474 кбит/с в теории и до 220 кбит/с на практике. В некоторых случаях EDGE даже относят к технологии 3G, если способ ее реализации позволяет обеспечивать требования к этому стандарту (скорость передачи данных — до 384 кбит/с).
Сотовые сети 3G
Первые коммерческие сети этого стандарта были запущены в 2001-2003 году. Сначала появилась сеть в Японии, потом в Норвегии. В США первую сеть 3G запустили в 2002 году, а в России сети третьего поколения начали работу в тестовом режиме в 2002 году. Массовый запуск в регионах начался с 2008 года.
Основой 3G сети в России является стандарт UMTS (или W-CDMA). Первоначально скорость передачи данных в них достигала 384 кбит/с. В дальнейшем скорости быстро выросли с появлением 3,5G, то есть с внедрением стандартов HSPA и HSPA+, способных, в идеале, развивать скорости до 14,4 Мбит/с и 42 Мбит/с соответственно.
Важная особенность 3G — по мере движения и удаления пользователя от одной базовой станции, его «подхватывает» другая, забирая на себя часть потока данных. При этом «старая» базовая станция постепенно уменьшает поток данных, пока абонент совсем не покинет зону ее действия. Благодаря такой работе и при наличии хорошего покрытия сети вероятность того, что случится обрыв связи, становится меньше, чем в GSM, где используется жесткое переключение пользователя между базовыми станциями.
Сотовые сети 4G
Следующим шагом по повышению скорости передачи данных стало внедрение сотовых сетей четвертого поколения. На сегодня это самые актуальные сети для мобильной связи и высокоскоростного мобильного доступа в Интернет. В России сети 4G работают на частотах 1800 МГц, 2600 МГц и реже на частоте 800 МГц.
Теоретически стандарты связи в сетях четвертого поколения могут выдать скорость загрузки до 1 Гбит/с для стационарного абонента. На практике все очень сильно зависит от качества сигнала и загрузки базовых станций, поэтому реальные скорости намного меньше. В лучшем случае вы получите соединение со скоростью 100 Мбит/с и то, это если говорить о Москве. Например, «Билайн» заявляет максимальную скорость в своих сетях 4G до 73 Мбит/с, в сетях 4G+ – до 110 Мбит/с. Реальная скорость получается ниже.
Особенность 4G заключается в том, что сначала были запущены сети LTE для передачи данных. LTE — это стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных с увеличенной пропускной способностью, разработанный на основе предыдущих стандартов EDGE и HSPA. У LTE есть важная особенность: сети этого стандарта умеют передавать только данные, но не голос, так как LTE поддерживает только коммутацию пакетов данных, а голосовые вызовы в GSM и UMTS осуществляются на основе коммутации каналов.
Поэтому первоначально сети на основе LTE использовались только для передачи данных, а голосовая связь осуществлялась за счет переключения смартфонов в сети 3G или даже 2G. В дальнейшем реализовали технологию VoLTE — передачу голоса в сетях LTE. После этого стало возможно внедрение полноценных 4G-сетей. На момент написания статьи это наиболее актуальный и быстродействующий стандарт, а сотовые операторы постепенно расширяют зону покрытия сетями 4G.
Сотовые сети 5G
Следующий шаг в развитии беспроводных сетей — 5G. Разработчики обещают, что скорости передачи данных в новой сети будут в 10 раз выше, чем в сетях 4G. 5G — это стабильный широкополосный доступ в сеть, позволяющий широко использовать «Интернет вещей» не только в бытовой сфере, но и в промышленности. Кроме того, 5G за счет стабильной и надежной связи позволит реализовать удаленное управление и полный контроль за происходящим в таких критически важных отраслях, как, например, медицина. Подробнее о сетях 5G рассказывается в статье Клуба 5G. Реальность и перспективы.
Выбор сети на смартфоне. Как разные сети отображаются на экране
Нужно ли обычному пользователю знать, в какой сети он в данный момент находится, есть ли от этого польза и требуется ли что-то настраивать вручную?
Понимание того, в какой сети вы в данный момент находитесь, позволит оценить скорость загрузки данных и понять, что сделать реально, а что не стоит даже пробовать. Например, находясь в сети GPRS бессмысленно пытаться посмотреть ролики в YouTube или TikTok. Для этого нужна как минимум сеть 3G, причем в своей быстрой версии —HSPA или HSPA+.
Тип сети на экране смартфона отображается рядом со значком уровня сигнала и передачи данных. Так при включении сети 2G вы можете увидеть значок «2G» или «E», которые сообщают вам о том, что смартфон подключился к сети GPRS или EDGE, соответственно.
При подключении к сети 3G в наше время, скорее всего, вы увидите значок «Н» или «Н+», сообщающий о том, что устройство подключено к сети HSPA или HSPA+. Возможно, где-то вам удастся и поймать сигнал только со значком «3G» — это также сети третьего поколения.
Сети 4G обозначаются значком «4G» или «LTE». Например, вот таким.
Теперь разберемся с тем, как самостоятельно выбирать сети и принудительно назначать, в каком стандарте работать. Автоматическое подключение к новейшему стандарту не всегда хорошо. Если вы находитесь на границе действия сети 4G, но при этом рядом имеется хороший сигнал 3G, лучше переключиться на него, так как скорость будет быстрее.
Делается это так. В настройках надо зайти в раздел «Мобильная сеть». Далее — «Мобильная передача данных», где надо выбрать пункт меню «Предпочтительный режим сети».
У вас могут быть доступны, в зависимости от смартфона, следующие опции: «Авто 4G/3G/2G», «Авто 3G/2G», «Только 4G», «Только 3G», «Только 2G».
«Авто» обозначает, что смартфон сам выбирает сеть из имеющихся в наличии. Если вы указали одну из сетей, например, «Только 3G», то устройство станет соединяться только с сетями этого стандарта. Выбрать в глухой деревне «Только 2G» полезно — и соединение будет стабильнее и заряд аккумулятора сэкономите.
Ликбез №1. Как организована связь у операторов и что на нее влияет
Каждый день мы сталкиваемся в комментариях, в общении вживую с тем, что люди жалуются на своего оператора в ситуациях, к которым последний не имеет никакого отношения, а вина за связь лежит на устройстве или обстоятельствах. Как правило, такие разговоры вскрывают основную проблему – непонимание того, как все это устроено и работает. За полтора десятка лет у нас было много статей, которые рассказывали об этом, показывали на примерах, но уже успело подрасти поколение тех, кто их пропустил. Поэтому и появляется рубрика «Ликбез», в которой мы рассмотрим основные принципы того, как все устроено на самом деле. Обсуждая название для рубрики, я неожиданно узнал, что многие забыли расшифровку этого слова – «ликвидация безграмотности».
У этой статьи два автора – Сергей Потресов, так как никто, кроме него, не сможет доходчиво объяснить, как устроена связь, и Эльдар Муртазин, моя роль в том, чтобы разбавить текст примерами и размышлениями на тему. Надеюсь, что вам материалы этой рубрики понравятся и вместе мы победим безграмотность в области связи. Последняя, но немаловажная оговорка – мы не пишем учебник для связистов, а рассказываем простым языком о том, что такое сотовые сети, как они работают. Это материал начального уровня для того, чтобы понять, как все это устроено и при желании изучить вопрос более тщательно. Поэтому в таких статьях возможны определенные упрощения, за которые заранее прошу нас извинить.
Как организована связь
Сотовая связь потому и называется сотовой, что в основе любой сети — ячейки (соты), каждая сота представляет собой участок территории, который покрывает (обслуживает) базовая станция. Форма и размеры сот зависят от множества факторов, в том числе от мощности излучения базовой станции, стандарта, рабочих частот, направления антенн и т.п. Соты обязательно перекрывают друг друга, это необходимо для того, чтобы мобильное устройство (терминал) не теряло связь при перемещении из одной соты в другую. Особенно это важно для владельца сотового телефона, который разговаривает во время движения.
В условиях городской застройки невозможно разбить карту города на квадратики и поставить базовые станции через равные расстояния, чтобы добиться качественного покрытия. Начинают играть роль этажность застройки, препятствия в виде памятников, возможность установить базовые станции в том или ином месте. Не зря наши города назвали каменными джунглями, планирование в них радиосетей – это та еще задачка. Поэтому все операторы стараются резервировать дополнительные мощности в крупных городах, создавать перекрывающиеся зоны для базовых станций. И этому есть и другая причина.
Для эффективной работы сети одного покрытия мало, базовые станции должны обслуживать одновременно много пользователей. А в городах — очень много одновременно разговаривающих и пользующихся мобильным интернетом. Полосы частот, на которых передаются голос и данные, — ограниченный и крайне ценный ресурс, за их лицензирование операторы во всём мире платят государству большие деньги. И не только деньги. Например, в России Министерство связи закладывает в лицензии обязательства оператора по обеспечению связью не только выгодных для сотовиков городов, но и малонаселенных территорий, где строить базовые станции – заведомо убыточное дело. А в некоторых местах эти базовые станции вообще никогда не принесут доход, оборудование придётся менять на более современное раньше, чем установленное успеет окупиться.
Как видите, у операторов есть еще и социальная нагрузка со стороны государства. Ничто не бывает бесплатным, и поэтому стоимость установки базовых станций и строительства сетей в малых городах компенсируется услугами в больших. Так устроен этот бизнес во всем мире, и Россия не является исключением. Важное отличие только в одном, российские сети мобильной связи – одни из самых современных, а по качеству и покрытию сетей наша страна выходит на первое место в мире, если вспомнить еще и про ее территорию.
Стандарт — дело тонкое
В России, как и в других странах, одновременно действует целый зоопарк разных стандартов. Это необходимо, прежде всего, для сохранения работоспособности всех мобильных терминалов, в том числе телефонов, работающих только в GSM, и даже древних трубок, работающих только в одном из двух диапазонов GSM. Из основных стандартов (служебная TETRA и прочая экзотика не в счёт) у нас работает GSM в диапазонах 900 и 1800 МГц, сети UMTS (3G) в диапазонах 900 и 2100 МГц, LTE (4G) двух разновидностей (FDD и TDD) в нескольких частотных диапазонах и CDMA (Скайлинк) в диапазоне 450 МГц. По мере роста распространённости терминалов с поддержкой 3G и 4G операторы начинают «отбирать» у своих сетей GSM часть полос и запускать на этих полосах LTE (4G). Это рационально и необходимо, так как современные стандарты 3G и LTE (4G) позволяют на той же полосе частот обслужить намного больше абонентов. А преимущество стандарта LTE ещё и в том, что он позволяет объединять и совместно использовать несколько полос частот в разных диапазонах. Это и есть LTE Advanced (LTE-A) с агрегацией частот. Такой «частотный бутерброд» резко повышает эффективность и позволяет добиться фантастических скоростей передачи данных. Например, в московской сети МегаФон увидеть больше 200 Мбит/с вполне реально. К сожалению, поддерживающих технологию LTE-A смартфонов и роутеров пока сравнительно мало, но это вопрос времени. Ошибочно полагать, что такие современные и скоростные сети доступны только в Москве, в том же МегаФоне сети LTE-A уже есть в пятнадцати городах России.
Стандарт LTE, конечно, объективно лучше, чем UMTS и, тем более, лучше, чем GSM. Позволяет обслуживать намного больше абонентов на тех же частотах и обеспечивает совсем другие скорости передачи данных. Но «счастье» не только в самом стандарте, но и в используемом диапазоне частот. Общее правило: чем ниже частота, тем лучше проникновение сигнала через стены зданий и тем больше «дальнобойность» базовых станций и терминалов. Самая низкая частота в России у Скайлинка (450 МГц), благодаря этому небольшим количеством базовых станций можно «накрывать» обширные территории, сигнал Скайлинка часто присутствует в такой глуши, куда не пока не дотянулся никто из остальных операторов. Беда в том, что стандарт Скайлинка (CDMA 450) поддерживает считанное количество китайских телефонов и смартфонов. В обозримом будущем возможен переход на LTE в этом диапазоне и появление поддержки этого диапазона в большинстве современных смартфонов. Всё очень непросто и взаимосвязано.
Стандарт GSM 900 хорош для покрытия больших территорий и «пробивания» стен зданий, GSM 1800 — для обслуживания большого числа абонентов. Но в GSM 1800 требуется в четыре раза больше базовых станций для такого же покрытия. Аналогично с LTE (4G): диапазон 800 МГц хорошо подходит для «лесов и болот», диапазон 2600 МГц даёт необходимую ёмкость сети в городах. Сейчас под LTE всё активнее используют диапазон 1800 МГц (полосы частот, «отобранные» у сетей GSM). Тоже вопрос совместимости терминалов. Например, привезённые из США iPhone могут работать в LTE 800 МГц (Band 20), но не поддерживать Band 7 (2600 МГц). Частот в Band 20 у наших операторов сравнительно мало, и сети в этом диапазоне развивают не так активно, а владельцы таких iPhone жалуются на низкую скорость и «плохого оператора». С LTE в диапазоне 1800 МГц тоже не всё гладко: ваш любимый роутер LTE в диапазоне 1800 может не работать, и опять будет виноват «плохой оператор».
Производители смартфонов, планшетов и другой электроники зачастую адаптируют свои устройства под конкретные рынки. Это заключается не только в том, что они переводят инструкцию, как это видится со стороны. При качественной локализации они также работают с локальными операторами. В таких устройствах прописаны точки доступа, проверена работа с огромным зоопарком SIM-карт, которые есть у операторов, выставлены правильные настройки для сети в инженерном меню телефона. Одна и та же модель может быть настроена так, что ее локальный вариант будет дольше и устойчивее цепляться за сеть, чем аналог, привезенный из Европы или США. Вопрос в настройках, которые сделаны для России, и в том, насколько они универсальны или специфичны. Это также напрямую влияет на время работы вашего устройства, скорость регистрации на сети.
«Плохие» и «хорошие» операторы – решение задачки
Самый популярный спорт в сети – это что-то доказать незнакомцу, например, что его оператор плохой, а вот вы сделали правильный выбор. Эта задачка не имеет решения, так как в ней слишком много переменных. Как люди оценивают качество оператора? Поделюсь секретом, который таковым не является.
Большинство людей смотрит на то, как оператор работает в двух точках – у них дома и на работе. Это два места, где человек проводит большую часть своей жизни, а значит, связь в них наиболее важна. Посещение кафе или ресторана, где плохой прием, никак не скажется на восприятии оператора, обычно люди даже не замечают, что им не дозвонились. С распространением мобильного интернета количество слепых зон определяется наличием сигнала, возможностью посмотреть странички или даже скоростью передачи данных, когда она может варьироваться от EDGE до 4G.
Давайте взглянем на статистику от Роскомнадзора, который учитывает число базовых станций у всех российских операторов. Данные за 2015 год появились в конце марта 2016 года, это самые свежие цифры на момент публикации статьи.
Можно ли из количества базовых станций сделать вывод о том, какой оператор лучше? Если подходить к вопросу в лоб, упростить ситуацию, то выиграть должен тот оператор, что имеет наибольшее число станций. Ведь в этом случае он может обеспечить связь в большем числе мест, с лучшим качеством. Будь у нас только один стандарт связи, например, 2G, и такие рассуждения были бы верны. Но ведь у нас одновременно есть 2G для голоса, 3G/4G и их промежуточные версии для передачи данных, а также голоса (3G, а также появляется Voice over LTE). В теории выигрыш у того оператора, что имеет сбалансированное число как станций 2G, которые обеспечивают хорошее покрытие голоса и SMS, так и 3G/4G-станций.
Давайте на минутку отвлечемся и вспомним про пробки на дорогах. Очень часто люди заглядывают в навигатор, который пишет, что на дорогах кошмар и пробки составляют десять баллов. Мрак! Можно забыть о машине и пересаживаться на общественный транспорт. Но всегда ли это так? Зачастую на вашем маршруте пробки не так ужасны, и вы можете добраться до нужно места за считанные минуты. Этот пример хорошо объясняет, что даже «плохой» оператор может работать в двух точках, которые вам нужны, и делать это хорошо. Что создает обманчивое впечатление того, что у него все так же хорошо и в других районах города или страны.
Когда мы говорим о качестве связи, то любой оператор в отдельных точках может быть как очень хорошим, так и очень плохим. Это всегда вероятность, которую сложно предугадать. Можно подобрать места так, что даже оператор с наилучшим покрытием покажет плачевные результаты. У меня есть друг, кому не повезло жить, работать и отдыхать в местах, где лучший оператор по моему мнению имеет такие изъяны в покрытии. Это практически невероятная ситуация, стечение обстоятельств.
Крайне важно при выборе оператора смотреть на то, какие услуги он предлагает. Не просто слышать про 4G, 4G+ или иные маркетинговые термины, но понимать, какие скорости достижимы на практике и в чем есть подводные камни. Насколько хорошо работает голосовая связь. Также следует понимать, что большая тройка и примкнувший к ним Теле2 имеют сравнимые тарифные предложения, в течение года вы не выгадаете ничего, переходя от одного оператора к другому. Более того, конкуренция так высока, что за год ваши расходы при одинаковом профиле пользования услугами связи будут скорее всего сравнимы. В большинстве ситуаций отличия мнимые, завязаны на маркетинг конкретного оператора.
Если цены плюс-минус одинаковы, то как же выбрать оператора? Поделюсь своим подходом, возможно, он вам покажется рациональным и вы назовете его выбором от Муртазина. Я выбираю и выбирал оператора исходя из числа базовых станций и количества современных станций, которые объединены высокоскоростной оптикой. Я постоянно мотаюсь по стране, для меня важно получать сравнимое качество связи в каждой точке или, точнее, иметь высокую вероятность получить такую связь. В моем неформальном рейтинге всегда лидировал МегаФон, так как инвестиции в сеть начиная с 2008 года были максимальными, компания подобралась к теоретическому максимуму базовых станций для всех территорий в России, развивать сеть в тех же темпах бессмысленно, нужно уже проводить еще более тонкую настройку сети. Но компания продолжает расширять сеть и вкладывает в нее деньги, активно и первой развивает станции новых поколений. Второе место традиционно занимает и занимал МТС, который в 2015 году совершил рывок и строил очень много базовых станций по стране, чтобы выйти по их количеству на первое место. Но помимо самих станций, нужно обеспечить их оптоволокном, опорной и управляющей сетью, а тут в МТС пока не все так гладко.
Условной второй группой выступают Билайн и Теле2, причем второй догоняет первого, и очень агрессивно. Качество и количество БС у этих компаний сильно отличается от первых двух игроков. И поэтому, когда мне рассказывают о том, что они ничуть не хуже, чем МегаФон или МТС, я всегда ухмыляюсь. Вероятность этого не подтверждается цифрами, пока это игроки другого уровня.
Безусловно, у вас может быть совсем другой подход и вам не нравится тот или иной оператор, вы считаете, что вам ближе другая компания. Это вкусовщина, и она всегда была и есть. Но не нужно тогда говорить о том, что это подтверждается качеством сети и ее работы. Это не так.
Небольшая ремарка относительно различных «исследований» качества сети, которые как будто что-то подтверждают. Все операторы без исключения публикуют такие «исследования», иногда это делают «независимые» игроки, но результаты всегда трактуются в пользу того или иного оператора. Рассматривайте их как PR-усилия операторов, так как в них непрозрачные методики или условия выбраны так, чтобы победа досталась вполне определенной компании. Это продукт для утверждения, почему такая-то сеть оператора лучше, чем у конкурентов.
У природы есть плохая погода
Возможно, вы слышали фразу «сота дышит». Речь о том, что с повышением нагрузки (число одновременно разговаривающих) территория покрытия базовой станции 3G может уменьшаться, вплоть до появления «дыр» в покрытии там, где соседние соты мало перекрывают друг друга. Ближе к границам сот связь 3G может быть сносной в периоды умеренной нагрузки и сильно портиться или вообще пропадать в «пиковые» часы. Также многие забывают о том, что связь терминала (телефона) с базовой станцией — своего рода «последняя миля», разговор или трафик передачи данных ещё нужно доставить от базовой станции до коммутатора. В крупных городах сейчас большинство базовых станций подключены по оптоволоконному кабелю, в населенных пунктах поменьше используют радиорелейные каналы связи. Тянуть оптоволокно на десятки километров дорого и ненадёжно, его ещё порой пытаются сдать в пункт приёма цветных металлов. Всё было неплохо, пока в сетях «гулял» преимущественно голос, с ростом объёмов передачи данных радиорелейки перестали справляться. Их меняют на новые, большей пропускной способности, но дело это дорогое и небыстрое с учётом многих тысяч станций, нуждающихся в таком апгрейде.
Заголовок про погоду неслучаен, радиорелейные каналы связи резко теряют свою пропускную способность во время дождя. Бороться с этим сложно, и в плохую погоду можно ненароком остаться без мобильного интернета. Особенно в местах, удалённых от сравнительно крупных населённых пунктов.
Сезонный фактор тоже имеет значение. Зимой всё может прекрасно работать, и мобильный интернет будет «летать», а на майские праздники и летом, с появлением дачников, всё становится совсем плохо, и просто в соцсети посидеть – счастье, не говоря уже про онлайн-видео. Может быть перегрузка конкретной базовой станции, а может и радиорелейный канал связи не справляться. Точный «диагноз» может поставить только сам оператор. Чтобы разобрались в проблеме и приняли меры, нужно активно писать и жаловаться, рассчитывать на «само как-нибудь исправится» бесполезно. И опять пресловутая «экономическая целесообразность»: окупится ли дорогостоящая модернизация? Если голосовая связь работает, то официальных претензий к оператору в принципе быть не может. И даже если голосовая связь перестаёт работать, то в «Договоре» заботливо указано про «вероятностный характер связи», не подкопаешься.
