Уявіть, що ви опинилися у місті з населенням шість мільйонів людей. Зараз опівночі. Ви знаходитесь в районі, який здається небезпечним, і вам відчайдушно потрібні вказівки, як дістатися до готелю. Все має бути просто. Ви дістаєте смартфон. Пристрій обіцяє детальні інтерактивні карти. Воно має стати вашою рятівною ниткою.
Але є нюанс. Швидкість вашого інтернет-з’єднання дуже повільна. Дані переміщуються повзуче. Ви дивіться на індикатор завантаження, що обертається, поки він не зникне. Зрештою, ви здаєтеся і відмовляєтеся від використання дорогого гаджета в руці. Натомість ви йдете на заправку та купуєте паперову карту.
Без швидкості ваш смартфон перетворюється на марну цеглу. Незалежно від того, наскільки просунуте обладнання має, він залежить від бездротової мережі для своєї роботи. Ця мережа забезпечує передачу даних – життєвої сили цифрової доби. За історичними мірками поточне покоління мереж 3G є швидким, але часто не забезпечує надійний досвід мобільного Інтернету.
Те, на що насправді розраховує ваш пристрій, це високошвидкісний доступ, подібний до того, який ви отримуєте за домашнім настільним комп’ютером. Це мобільний широкосмуговий доступ. Він називається 4G. І він також необхідний кожній іншій людині на вулиці.
Вибух даних
Зрушення у способах використання телефонів відбулося тихо, але стрімко. У 2009 році обсяг трафіку мобільного широкосмугового доступу вперше перевищив обсяг трафіку голосових дзвінків. З того часу ця тенденція лише посилилася.
Очікується, що попит на дані до 2020 року зросте у 33 рази. Люди купують пристрої, що споживають величезні обсяги пропускної спроможності. Мережі повинні встигати за цим попитом, інакше вони зваляться під вагою власного успіху.
Провайдери послуг, відомі як оператори зв’язку в залежності від того, де ви живете, вкладають великі кошти у вирішення цієї проблеми. Вони активно інвестують в інфраструктуру, включаючи обладнання та програмне забезпечення, що забезпечує мобільний зв’язок. За оцінками, лише у США вони витратить до 53 мільярдів доларів.
Ціль проста: розширити можливості швидших мереж. Це означає перехід до стандартів 4G.
Розшифровка розриву між поколіннями
Але що саме є мережі 4G? Чому вони є предметом агресивної та галасливої реклами? Що відрізняє їх від застарілих мереж 2G, які в основному обслуговували голосові дзвінки? Як можна відрізнити мережу 4G від 3G у реальних умовах використання?
Відповіді рідко бувають однозначними. Світ технологій 4G часто буває таким же дезорієнтуючим, як і втрата орієнтації у мегаполісі без онлайн-карток. Маркетингові повідомлення заплутані, а абревіатури перевантажені термінами.
Нам треба пробитися крізь цей гамір. Цей посібник допоможе вам уникнути технічного жаргону. Ми покажемо, як блискавична швидкість може вивести мобільний Інтернет у нову еру. Еволюція не має кінця.
Нескінченна еволюція бездротових технологій
Бездротові мережі являють собою складний набір технологій, що перетинаються. Абревіатури швидко починають збивати з пантелику. Але якщо відкинути жаргон, залишається одна істина: бездротові мережі це радіосистеми. Ви можете ознайомитися з матеріалами Як працюють стільникові телефони та Як працюють смартфони, щоб зрозуміти механічні основи.
Незалежно від того, який стандарт домінує у вашому регіоні, ви є частиною одного глобального сплеску. У всьому світі налічується майже 6 мільярдів активних підписок на стільниковий зв’язок. Мобільне використання лише прискорюється.
Мільярди користувачів вимагають більшого. Мережі повинні адаптуватися, щоб упоратися з навантаженням. Кожен стрибок у продуктивності отримує назву нового покоління.
Мережі першого покоління 1G з’явилися у 1980-х роках. Вони були аналоговими. Вони обслуговували лише голосові дзвінки.
Цифрові мережі 2G прийшли на зміну на початку 1990-х років. Вони забезпечили базову передачу даних. Ви могли надсилати текстові повідомлення та перевіряти електронну пошту.
Мережі 3G поширилися на початку 2000-х років. Мобільний Інтернет став реальністю. Ви могли переглядати веб-сторінки та транслювати аудіоконтент. Це часто було болісно повільним.
Споживачі хотіли більшого. Пристрої стали ненажерливими щодо споживання даних. Мережева інфраструктура почала тріщати швами під тиском.
3G вимагала оновлення. Бездротові мережі мали еволюціонувати знову. Швидкий мобільний широкосмуговий доступ мав на меті.
Тепер межі розмиті. Немає універсального стандарту для 4G.
Системи, швидше, ніж 3G, часто називають 3.5G або 3.9G. Оператори зв’язку називають це 3G+. Маркетингові відділи просто називають це 4G. Це рекламний термін. Він просто означає швидше, ніж 3G. Нічого більше.
Але є різні варіанти цього мобільного широкосмугового доступу. Ключова відмінність полягає у архітектурі.
4G – це повністю IP
Старі мережі покладалися на комутацію каналів. Це був виділений шлях для вашого виклику. 4G – це повністю IP-мережа. Вона використовує комутацію пакетів. Дані розбиваються на фрагменти. Вони переміщуються по мережі та збираються заново у пункті призначення.
Цей зсув має значення. Комутація пакетів ефективніша. Вона одночасно обслуговує голос і дані, не марнуючи пропускну здатність. Вона забезпечує вищі швидкості. Вона підтримує складні програми.
Уявіть це як шосе. Старі мережі мали виділені смуги для автомобілів. Нові мережі дозволяють автобусам, вантажівкам та легковим автомобілям ефективно використовувати дорогу. Дані переміщуються як пакетів. Вони обирають найшвидший маршрут.
Саме тому мережі 4G забезпечують такий стрибок швидкості. Це не просто більше потужності. Це розумніша система.
4G – це не просто більш висока швидкість. Це фундаментальна архітектурна зміна від комутації каналів для голосу до комутації пакетів даних.
Перехід від 3G до 4G усунув вузьке місце для голосу. Голосові дзвінки тепер є лише однією формою даних. Це забезпечує VoIP (голос через IP). Це відкриває двері для відеодзвінків. Це підтримує ігри у реальному часі.
Оператори зв’язку активно просувають маркетинг 4G. Вони заявляють про революційні швидкості. Реальна продуктивність варіюється. Це залежить від завантаження мережі. Це залежить від обладнання. Але технологія, що лежить в основі, відрізняється.
Старі мережі страждали від затримок. Мережі з повністю IP-архітектурою знижують затримки. Це важливо для потокової передачі. Це життєво потрібне для хмарних сервісів.
Ви бачите різницю у повсякденному використанні. Веб-сторінки завантажуються швидше. Відео буферизується менше. Програми відчуваються більш чуйними.
Термінологія заплутана. Ви чутимете, як часто згадується LTE (Long Term Evolution — довгострокова еволюція). LTE часто вважається проміжним кроком до цього 4G. Але більшість користувачів він відповідає загальному визначенню. Він швидший. Він надійніший.
Розуміння того, як працює 4G, допомагає вибрати відповідний тарифний план. Це пояснює, чому швидкість ваших даних знижується. Це пояснює карти покриття.
Технології розвиваються швидко. Стандарти змінюються. Але прагнення швидкості залишається постійним.
Архітектура 4G на базі всіх протоколів IP
4G – це, по суті, ефективніша радіосистема. Інженерне завдання полягало у будівництві досконаліших вишок. Вона полягала в тому, щоб запакувати більше цифрових даних у кожен радіосигнал. Це максимізує швидкість та загальну ефективність мережі.
На відміну від свого попередника, 4G побудований на стандарті все на базі IP. Це означає, що він використовує протокол Інтернету для всього. Навіть голосові дзвінки обробляються як пакети даних. Мережі 3G також були засновані на IP, але вони покладалися на комутацію каналів передачі голосу. 4G відмовився від цього. Він розглядає телефонний дзвінок як ще один потік даних, що рухається через Інтернет.
Такий підхід на основі пакетів дозволяє цим переміщатися різними мережами без спотворень. Ваш телефон не просто безпосередньо пов’язується з Інтернетом. Він спочатку зв’язується з базовою станцією. У галузевій термінології базова станція – це стільникова вежа. Це висока конструкція, вкрита антенами. Вона передає дані між вашим пристроєм та глобальним інтернетом.
Повітряні інтерфейси та спектр частот
Існує безліч способів встановити зв’язок між вашим телефоном та вежею. Вони називаються “повітряними інтерфейсами”. Більш старі методи рясніють абревіатурами, такими як CDMA2000, HSPA, EV-DO Revision B та Mobile WiMAX. Кожен із них передає дані по-різному, використовуючи певні спектри радіохвиль.
Ми не перераховуватимемо тут усі абревіатури. Ви можете заглибитись у вивчення цих старих технологій, якщо хочете дізнатися про їх історію. Головне полягає в тому, що 4G впроваджує нові, більш швидкі повітряні інтерфейси, розроблені для обробки збільшеного навантаження.
Реальність концепції «все на базі IP»
В даний час у світі немає чисто 4G-мереж. Справжня доставка даних на базі всіх протоколів IP все ще розвивається. У багатьох країнах ще існує значне перекриття між мережами 3G і навіть 2G. Ваш телефон часто перемикається між стандартами, щоб підтримувати сигнал.
Але в міру розвитку інфраструктури перехід стає очевиднішим. Мета полягає в тому, щоб створити мережу, де кожен біт трафіку – від текстового повідомлення до потокового відео в 4K – є ще одним пакетом в інтернеті.
Цей дизайн, орієнтований на IP, є лише одним із інгредієнтів. Повна продуктивність 4G вимагає більшого, ніж зміни протоколів. Їй необхідні специфічні можливості обладнання та керування спектром частот.
Повний рецепт 4G
4G була революцією. Це було оновлення, яке виправило недоліки 3G. Якщо ви стикалися з мережами третього покоління, знаєте, як це. Тепер ви отримуєте швидше завантаження даних і менше буферизації.
Швидкість зазвичай є основним показником. У мережах 3G вашому телефону важко досягти швидкості 2 Мбіт/с. 4G збільшує швидкість до 3 або 5 Мбіт/с. Це рівень кабельних модемів. Так, відділи маркетингу люблять кричати про швидкості 100 Мбіт/с. Не вірте їм. Це результат лабораторних випробувань. У реальному світі ви поки що не отримуєте такі швидкості.
Але швидкість – не вся історія. Справжня зміна полягає в архітектурі.
Чому 4G краще справляється з великою кількістю користувачів
Марк Мерфі, керівник напряму інновацій в Ericsson, зазначає, що пропускна спроможність важливіша за максимальну швидкість для більшості людей. 4G має більш високу пропускну спроможність. Вона підтримує значно більше користувачів одночасно.
Уявіть собі переповнений концерт. На вежі 3G, можливо, 60-100 людей можуть дивитися відео без обриву з’єднання. Спробуйте зробити те саме з 300-400 людьми в мережі 4G LTE. Вона справляється. Швидкість передачі даних залишається високою. Відеодзвінки не зависають. YouTube відтворюється плавно.
Як затримка впливає на онлайн-ігри
Потім є затримка. Або затримка (латентність). Це час між вашою командою та відповіддю мережі.
Низька затримка має вирішальне значення для тих, хто грає у динамічні онлайн-ігри. Це також допомагає при віддаленому керуванні роботом чи автомобілем. Для роботи в реальному часі потрібна затримка 50 мс або менше. 4G LTE знижує її до 20-40 мс.
Різниця колосальна. У голосових викликах зникає дивна луна. Затримка пропадає.
Пояснення спектральної ефективності
Спектр закінчений. Це труба. Ви можете пропустити через неї лише певну кількість даних. 4G використовує досконаліші схеми кодування. Вона передає більше біт на герц, ніж будь-коли могла 3G.
Вона більш спектрально ефективна. Це технічний термін. Це означає найкращу продуктивність без необхідності будівництва додаткових фізичних вишок.
Але як саме вона цього досягає? Апаратне та програмне забезпечення працюють по-різному.
Місце для повітряного інтерфейсу
Ви рідко замислюєтеся про “діалект”, на якому говорить ваш пристрій. Цей діалект – повітряний інтерфейс, стандартизований протокол, що визначає, як ваше мобільне обладнання взаємодіє з локальною базовою станцією. Якщо ви переглянули хоча б одну рекламу смартфона, ви були завалені абревіатурами. 4G LTE. WiMAX. HSPA+. Усі вони виконують одну функцію: координацію мережного трафіку. Вони говорять вашому пристрою, коли кричати даними, а коли слухати. Різниця полягає у синтаксисі. Як вони здійснюють цю координацію.
WiMAX виглядало перспективно. Воно нагадувало протокол WiFi у вашому будинку чи офісі. Нині його практично не залишилося. Оператори відмовилися від нього на користь LTE та HSPA+.
LTE працює інакше. Пристрої можуть передавати та приймати дані одночасно. Для кожного завдання використовуються різні частоти. Секретний інгредієнт – OFDM (ортогональний частотний поділ каналів). Ця техніка поділяє сигнал на паралельні потоки даних. Ці потоки передаються по радіопідканалу. Процесори на іншому кінці збирають сигнал назад. Це ефективно. Це швидко.
MIMO (багатовхідний багатовихідний) – ще один ключовий елемент головоломки LTE. Він спирається на використання кількох антен та передавачів як у телефоні, так і на базовій станції. Така конфігурація забезпечує одночасну передачу даних на висхідному та низхідному каналах. Жодного очікування. Жодних вузьких місць.
HSPA+ відіграє іншу роль. Вона обернено сумісна зі старими системами 3G. LTE – ні. HSPA+ – це не майбутнє. Це спосіб вичавити більше життя з існуючої інфраструктури. Вона виграє час. Вона подовжує життєвий цикл старого обладнання.
LTE тут залишитися. Мережі називають “довгостроковою еволюцією”, тому що оператори хочуть дотримуватися цієї технології. Вони не хочуть витрачати величезних грошей на оновлення інфраструктури кожні кілька років. LTE вважається хорошим довгостроковим варіантом, тому що її легко масштабувати. Для більшої пропускної спроможності. Для кращої продуктивності.
Наразі чисті мережі 4G LTE зустрічаються рідко. Мережі всюди являють собою ковдру. У вас є 3G. У вас є 4G. Ви навіть змішуєте технології та повітряні інтерфейси 2G. У багатьох районах покриття 2G, 3G та 4G перетинається. Цей хаос можна побачити на інтерактивних картах OpenSignalMaps. У результаті навіть звані 4G-телефони оснащуються чіпами 3G. Вони потрібні для доступу до мереж 3G і 3G+, коли сигнал LTE слабшає.
Міцніше тримайте свій мобільний телефон. Мережа стає швидше. Вона стає страшно розумною.
Жива, дихаюча мережа
4G LTE перевершує багато обмежень 3G. Вона додає цілу низку можливостей, що вражають уяву. Якщо “Термінатор” та “Матриця” лякали вас, пропустіть цей розділ.
Архаїчні мережі 1G і 2G дурні з технологічної точки зору. Мережі 4G – це інтелектуальні машини. Вони справляються із навантаженнями. Коли тисячі людей застрягають на шосе за годину пік, вони починають користуватися телефонами. Попит на послуги передачі у цьому районі різко зростає.
Системи 3G пасують. Вони спотикаються. Користувачі засмучуються. Системи 4G самоорганізуються та самоконфігуруються. Вони компенсують проблеми на льоту. Вони забезпечують швидший сервіс для більшої кількості людей у порушеній зоні.
Відключення електроенергії та відмови обладнання часто паралізують системи 3G. У 4G є можливості самозцілення. Датчики та просунуте програмне забезпечення виявляють проблему. Система перенаправляє трафік через інші вишки доти, доки не будуть проведені ремонтні роботи.
Дивно, що мережі 4G виконують такі обхідні маневри без втручання людини. Войтек Фелендзер, менеджер з маркетингу технічних рішень у Nokia Siemens Networks, каже, що ці системи є найбільшими машинами, коли-небудь створеними людством. Вони простягаються від узбережжя до узбережжя. У всьому світі. Вперше вони стають досить розумними, щоб лагодити себе самі.
Незважаючи на це, 4G насправді не є радикально новою технологією. Люди в цій галузі іноді кажуть, що за останні 100 років нічого нового не було винайдено. Це просто новий спосіб поєднання встановлених знань із потужнішим обчислювальним обладнанням. Ваш смартфон – тому доказ. Багато телефонів тепер мають двоядерні процесори. Це обчислювальна потужність, яку кілька років тому можна було лише мріяти.
Так що, якщо ви коли-небудь боялися технологічного захоплення, можливо, незабаром настав час бігти у свій бункер у дикій природі. А поки що продовжуйте читати. Ви побачите, як можна спостерігати війну іншого роду між операторами мереж.
Детальніше про 3G
Мережі 3G резервують однакову кількість спектру як для відправлення, так прийому даних. Смартфони та інші пристрої отримують набагато більше даних, ніж надсилають. Мережі 4G виділяють набагато більше спектра прийому. Результатом є найкраща загальна швидкість.
Пастка дефіциту спектру
Оператори ведуть війну за увагу користувачів. Ви бачите рекламу, відчуваєте тиск. Вони хочуть, щоб ви оформили передплату. Для цього їм потрібна швидкість. Їм потрібне покриття. Але швидкість і покриття не виникають із нізвідки.
Вони виходять із спектру.
Уявіть спектр як кінцевий ресурс. Це обмежуючий ресурс у найсуворішому значенні. Державні агенції продають із аукціонів блоки радіочастот. Існує межа. Як тільки він вичерпано, ресурс зникає назавжди.
Ті, хто виграє аукціон, отримують найкращі частоти. Низькі частоти. Наприклад, 700 МГц. Ці хвилі поводяться як туман. Вони осідають. Вони проникають крізь будинки. Їм все одно на ваші цегляні мури. Високі частоти? Вони вимагають прямої видимості. Дерево блокує їх. Злива розсіює їх. Оператори прагнуть низьких діапазонів, тому що надійність окупається.
Вартість божевільна. AT&T витратила майже 2 мільярди доларів за блок спектру 700 МГц. Це покриває приблизно 300 мільйонів людей. Це ціна для серйозної гри.
Старі технології вимагали безперервних блоків. Один суцільний шматок спектру. LTE змінила правила гри. Вона може поєднувати частоти. Вона використовує 700 МГц, 900 МГц, 17 ГГц 21 ГГц. Вона поєднує їх. Хоча не всі частоти рівні. Низькі діапазони, як і раніше, правлять бал у плані покриття. Високі діапазони правлять у плані чистої ємності у щільних міських центрах.
Після придбання ефірних частот оператори не просто замінюють вежі. Ви не бачите, як вони змінюють великі металеві ящики на шосе. Вони починають із ядра мережі. Вони оновлюють маршрутизатори. Вони змінюють сервери. Вони будуються для масштабу. Тому що попит ніколи не перестане зростати.
3G під будь-яким ім’ям
Панує плутанина. Усі називають це 4G. Але чи справді це 4G?
У майже кожен оператор пропонує сервіс швидше, ніж 3G. Вони клеять на нього ярлик 4G. Немає узгодженого визначення. HSPA і CDMA/EV-DO є технічно просунутими мережами 3G. Але ж вони швидкі. Тому оператори називають їх 4G. Це маркетинг, який зустрічається з інженерією.
Вплив 4G та майбутнє
“Загальне 4G стане переломним моментом”, – говорить Річард Карпінскі, старший аналітик з мобільних технологій в Yankee Group. «Це вплине на бізнес, освіту, роздрібну торгівлю та багато іншого».
Але тримайте свої очікування під контролем. Реалізм має значення. Мережі сповільнюються, коли вони перевантажені. Це фізика. Якщо ви бачите швидкість завантаження 10–20 Мбіт/с, це перемога. Це важливо. Не чекайте на гігабітні швидкості скрізь.
HD-стрімінг? Поки що ні. Не зовсім. Але ж відеодзвінки без збоїв? Так. YouTube у дорозі? Абсолютно.
Ось каверза. Ви платите за це. Плани передачі даних у 4G дороги. Обмеження трафіку нависають величезною тінню. Вони вбивають веселощі.
Тут на допомогу приходять поліпшення якості обслуговування. Уявіть собі, що ви в торговому центрі. Діти ходять магазинами. Ви хочете переглянути футбольний матч. Ви перевищили ліміт даних. Мережа перевантажена. Вона повільна.
Але ви можете заплатити. Одноразовий платіж. Тимчасове покращення. Ви отримуєте потрібну швидкість. Ви дивіться матч. Потім ви повертаєтеся до вихідних умов.
Час роботи від батареї – ще одна жертва. Сигнали 4G рідше, ніж 3G. Ваш телефон працює більш старанно, щоб знайти їх. Він витрачає енергію. Ви можете не дотягнути до кінця дня. А телефони самі? Вони стають потужнішими. Більше функцій. Більше голоду до енергії. Пристрої потребують поліпшення. Великі батареї. Ефективні чіпи.
А потім, LTE Advanced
Майбутнє – це не лише 4G. Це LTE Advanced.
Вона все ще перебуває у стадії розробки. Але обіцянка приголомшує. Вона може зробити ваш поточний смартфон 3G у 100 разів швидше. Ми говоримо про нову еру мобільного інтернету.
Веб розкинувся у всьому світі. Устаткування. Програмне забезпечення. Бездротові технології. Він розширюється. Де б ви не жили, приходять швидші мережі. Якщо ви любите гаджети, ви зрадієте. Інтернет буде у вас під рукою. Як ніколи раніше.
Часті питання
Що означає 4G?
4G – це четверте покоління технології стільникових мереж, що прийшло на зміну 3G. Воно забезпечує вищі швидкості передачі і обробляє більший обсяг трафіку, ніж його попередник.
Чому спектр такий дорогий?
Тому що це обмежуючий ресурс. Пропозиція обмежена урядовими розподілами, а попит з боку операторів на покриття та швидкість ненаситний.
Який частотний діапазон найкраще підходить для покриття?
Низькі частоти, такі як 700 МГц, перевершують інші покриття. Вони краще проникають через перешкоди, такі як будинки, порівняно з високими частотами, які покладаються на пряму видимість.
Чим LTE Advanced відрізняється від стандартного LTE?
LTE Advanced – це еволюція стандарту 4G. Вона обіцяє значно вищі швидкості — потенційно у 100 разів швидше, ніж старі мережі 3G — за рахунок використання більш сучасних методів обробки сигналів та техніки агрегації несучих.
Чи вб’є 4G мою батарею?
Ймовірно. Оскільки сигнали 4G можуть бути рідшими, пристрої витрачають більше енергії на пошук прийому. У поєднанні з більш потужними функціями телефону це призводить до більш швидкого розрядження батареї порівняно з пристроями, що підтримують лише 3G.
