Представьте, что вы оказались в городе с населением шесть миллионов человек. Сейчас полночь. Вы находитесь в районе, который кажется небезопасным, и вам отчаянно нужны указания, как добраться до отеля. Всё должно быть просто. Вы достаёте смартфон. Устройство обещает подробные интерактивные карты. Оно должно стать вашей спасительной нитью.
Но есть нюанс. Скорость вашего интернет-соединения мучительно медленная. Данные перемещаются ползуче. Вы смотрите на крутящийся индикатор загрузки, пока он не исчезнет. В конце концов вы сдаётесь и отказываетесь от использования дорогого гаджета в руке. Вместо этого вы идёте на заправку и покупаете бумажную карту.
Без скорости ваш смартфон превращается в бесполезный кирпич. Независимо от того, насколько продвинутое оборудование у него есть, он зависит от беспроводной сети для своей работы. Эта сеть обеспечивает передачу данных — жизненной силы цифровой эпохи. По историческим меркам текущее поколение сетей 3G является быстрым, но оно часто не обеспечивает надёжный опыт мобильного Интернета.
То, на что на самом деле рассчитывает ваше устройство, — это высокоскоростной доступ, подобный тому, который вы получаете за домашним настольным компьютером. Это мобильный широкополосный доступ. Он называется 4G. И он также необходим каждому другому человеку на улице.
Взрыв данных
Сдвиг в способах использования телефонов произошёл тихо, но стремительно. В 2009 году объём трафика мобильного широкополосного доступа впервые превысил объём трафика голосовых вызовов. С тех пор эта тенденция только усилилась.
Ожидается, что спрос на данные к 2020 году вырастет в 33 раза. Люди покупают устройства, потребляющие огромные объёмы пропускной способности. Сети должны успевать за этим спросом, иначе они рухнут под тяжестью собственного успеха.
Провайдеры услуг, известные как операторы связи в зависимости от того, где вы живёте, вкладывают большие средства в решение этой проблемы. Они активно инвестируют в инфраструктуру, включая оборудование и программное обеспечение, обеспечивающее мобильную связь. По оценкам, только в США они потратят до 53 миллиардов долларов.
Цель проста: расширить возможности более быстрых сетей. Это означает переход к стандартам 4G.
Расшифровка разрыва между поколениями
Но что именно представляют собой сети 4G? Почему они являются предметом агрессивной и шумной рекламы? Что отличает их от устаревших сетей 2G, которые в основном обслуживали голосовые вызовы? Как можно отличить сеть 4G от 3G в реальных условиях использования?
Ответы редко бывают однозначными. Мир технологий 4G часто бывает столь же дезориентирующим, как и потеря ориентации в мегаполисе без онлайн-карт. Маркетинговые сообщения запутаны, а аббревиатуры перегружены терминами.
Нам нужно пробиться сквозь этот шум. Это руководство поможет вам избежать технического жаргона. Мы покажем, как молниеносная скорость может вывести мобильный Интернет в новую эру. Эволюция не имеет конца.
Бесконечная эволюция беспроводных технологий
Беспроводные сети представляют собой сложный набор пересекающихся технологий. Аббревиатуры быстро начинают сбивать с толку. Но если отбросить жаргон, остается одна истина: беспроводные сети — это радиосистемы. Вы можете ознакомиться с материалами Как работают сотовые телефоны и Как работают смартфоны, чтобы понять механические основы.
Независимо от того, какой стандарт доминирует в вашем регионе, вы являетесь частью одного глобального всплеска. Во всем мире насчитывается почти 6 миллиардов активных подписок на сотовую связь. Мобильное использование только ускоряется.
Миллиарды пользователей требуют большего. Сети должны адаптироваться, чтобы справиться с нагрузкой. Каждый скачок в производительности получает название нового поколения.
Сети первого поколения 1G появились в 1980-х годах. Они были аналоговыми. Они обслуживали только голосовые вызовы.
Цифровые сети 2G пришли на смену в начале 1990-х годов. Они обеспечили базовую передачу данных. Вы могли отправлять текстовые сообщения и проверять электронную почту.
Сети 3G распространились в начале 2000-х годов. Мобильный интернет стал реальностью. Вы могли просматривать веб-страницы и транслировать аудиоконтент. Это часто было болезненно медленным.
Потребители хотели большего. Устройства стали прожорливыми в плане потребления данных. Сетевая инфраструктура начала трещать по швам под давлением.
3G требовала обновления. Беспроводные сети должны были эволюционировать снова. Быстрый мобильный широкополосный доступ был целью.
Теперь границы размыты. Не существует универсального стандарта для 4G.
Системы, более быстрые, чем 3G, часто называют 3.5G или 3.9G. Операторы связи называют это 3G+. Маркетинговые отделы просто называют это 4G. Это маркетинговый термин. Он просто означает быстрее, чем 3G. Ничего более.
Но существуют различные варианты этого мобильного широкополосного доступа. Ключевое различие заключается в архитектуре.
4G — это полностью IP
Старые сети полагались на коммутацию каналов. Это был выделенный путь для вашего вызова. 4G — это полностью IP-сеть. Она использует коммутацию пакетов. Данные разбиваются на фрагменты. Они перемещаются по сети и собираются заново в пункте назначения.
Этот сдвиг имеет значение. Коммутация пакетов более эффективна. Она одновременно обслуживает голос и данные, не тратя впустую пропускную способность. Она обеспечивает более высокие скорости. Она поддерживает сложные приложения.
Представьте это как шоссе. Старые сети имели выделенные полосы для автомобилей. Новые сети позволяют автобусам, грузовикам и легковым автомобилям эффективно использовать дорогу. Данные перемещаются в виде пакетов. Они выбирают самый быстрый маршрут.
Именно поэтому сети 4G обеспечивают такой скачок скорости. Это не просто больше мощности. Это более умная система.
4G — это не просто более высокая скорость. Это фундаментальное архитектурное изменение от коммутации каналов для голоса к коммутации пакетов для данных.
Переход от 3G к 4G устранил узкое место для голоса. Голосовые вызовы теперь являются лишь еще одной формой данных. Это обеспечивает VoIP (голос через IP). Это открывает двери для видеозвонков. Это поддерживает игры в реальном времени.
Операторы связи активно продвигают маркетинг 4G. Они заявляют о революционных скоростях. Реальная производительность варьируется. Это зависит от загруженности сети. Это зависит от оборудования. Но лежащая в основе технология отличается.
Старые сети страдали от задержек. Сети с полностью IP-архитектурой снижают задержки. Это критически важно для потоковой передачи. Это жизненно необходимо для облачных сервисов.
Вы видите разницу в повседневном использовании. Веб-страницы загружаются быстрее. Видео буферизуется меньше. Приложения ощущаются более отзывчивыми.
Терминология запутанная. Вы будете слышать, как часто упоминается LTE (Long Term Evolution — долгосрочная эволюция). LTE часто считается промежуточным шагом к настоящему 4G. Но для большинства пользователей он соответствует общему определению. Он быстрее. Он более надежен.
Понимание того, как работает 4G, помогает выбрать подходящий тарифный план. Это объясняет, почему скорость ваших данных снижается. Это проясняет карты покрытия.
Технологии развиваются быстро. Стандарты меняются. Но стремление к скорости остается постоянным.
4G — это, по сути, более эффективная радиосистема. Инженерная задача заключалась не только в строительстве более совершенных вышек. Она заключалась в том, чтобы упаковать больше цифровых данных в каждый радиосигнал. Это максимизирует скорость и общую эффективность сети.
В отличие от своего предшественника, 4G построен на стандарте все на базе IP. Это означает, что он использует протокол Интернета для всего. Даже голосовые вызовы обрабатываются как пакеты данных. Сети 3G также были основаны на IP, но они полагались на коммутацию каналов для передачи голоса. 4G отказался от этого. Он рассматривает телефонный звонок как еще один поток данных, движущийся через интернет.
Такой подход на основе пакетов позволяет данным перемещаться по различным сетям без искажений. Ваш телефон не просто напрямую связывается с интернетом. Он сначала связывается с базовой станцией. В отраслевой терминологии базовая станция — это сотовая вышка. Это высокая конструкция, покрытая антеннами. Она передает данные между вашим устройством и глобальным интернетом.
Воздушные интерфейсы и спектр частот
Существует множество способов установить связь между вашим телефоном и вышкой. Они называются воздушными интерфейсами. Более старые методы изобилуют аббревиатурами, такими как CDMA2000, HSPA, EV-DO Revision B и Mobile WiMAX. Каждый из них передает данные по-разному, используя определенные спектры радиоволн.
Мы не будем перечислять здесь все аббревиатуры. Вы можете углубиться в изучение этих старых технологий, если хотите узнать их историю. Главное заключается в том, что 4G внедряет новые, более быстрые воздушные интерфейсы, разработанные для обработки возросшей нагрузки.
Реальность концепции «все на базе IP»
В настоящее время в мире нет чисто 4G-сетей. Истинная доставка данных на базе всех протоколов IP все еще развивается. Во многих странах все еще существует значительное перекрытие между сетями 3G и даже 2G. Ваш телефон часто переключается между стандартами для поддержания сигнала.
Но по мере развития инфраструктуры переход становится более очевидным. Цель состоит в том, чтобы создать сеть, где каждый бит трафика — от текстового сообщения до потокового видео в 4K — является просто еще одним пакетом в интернете.
Этот дизайн, ориентированный на IP, является лишь одним из ингредиентов. Полная производительность 4G требует большего, чем просто изменения протоколов. Ей необходимы специфические возможности оборудования и управление спектром частот.
Полный рецепт 4G
4G не была революцией. Это было обновление, которое исправило недостатки 3G. Если вы сталкивались с сетями третьего поколения, то знаете, каково это. Теперь вы получаете более быструю загрузку данных и меньше буферизации.
Скорость обычно является главным показателем. В сетях 3G вашему телефону трудно достичь скорости 2 Мбит/с. 4G увеличивает эту скорость до 3 или 5 Мбит/с. Это уровень кабельных модемов. Да, отделы маркетинга любят кричать о скоростях в 100 Мбит/с. Не верьте им. Это результат лабораторных испытаний. В реальном мире вы пока не получаете такие скорости.
Но скорость — не вся история. Настоящее изменение заключается в архитектуре.
Почему 4G лучше справляется с большим количеством пользователей
Марк Мерфи, руководитель направления инноваций в Ericsson, отмечает, что пропускная способность важнее максимальной скорости для большинства людей. 4G имеет более высокую пропускную способность. Она поддерживает значительно больше пользователей одновременно.
Представьте себе переполненный концерт. На вышке 3G, возможно, 60–100 человек могут смотреть видео без обрыва соединения. Попробуйте сделать то же самое с 300–400 людьми в сети 4G LTE. Она справляется. Скорость передачи данных остается высокой. Видеозвонки не зависают. YouTube воспроизводится плавно.
Как задержка влияет на онлайн-игры
Затем есть задержка. Или задержка (латентность). Это время между вашей командой и ответом сети.
Низкая задержка имеет решающее значение для тех, кто играет в динамичные онлайн-игры. Это также помогает при удаленном управлении роботом или автомобилем. Для работы в реальном времени требуется задержка 50 мс или меньше. 4G LTE снижает ее до 20–40 мс.
Разница колоссальная. В голосовых вызовах исчезает странное эхо. Задержка пропадает.
Объяснение спектральной эффективности
Спектр конечен. Это труба. Вы можете пропустить через нее только определенное количество данных. 4G использует более совершенные схемы кодирования. Она передает больше бит на герц, чем когда-либо могла 3G.
Она более спектрально эффективна. Это технический термин. Это означает лучшую производительность без необходимости строительства дополнительных физических вышек.
Но как именно она этого добивается? Аппаратное и программное обеспечение работают по-разному.
Место для воздушного интерфейса
Вы редко задумываетесь о «диалекте», на котором говорит ваше устройство. Этот диалект — воздушный интерфейс, стандартизированный протокол, определяющий, как ваше мобильное оборудование взаимодействует с локальной базовой станцией. Если вы посмотрели хотя бы одну рекламу смартфона, вы были завалены аббревиатурами. 4G LTE. WiMAX. HSPA+. Все они выполняют одну функцию: координацию сетевого трафика. Они говорят вашему устройству, когда «кричать» данными, а когда слушать. Разница заключается в синтаксисе. В том, как они осуществляют эту координацию.
WiMAX выглядело перспективно. Оно напоминало протокол WiFi в вашем доме или офисе. Сейчас его практически не осталось. Операторы отказались от него в пользу LTE и HSPA+.
LTE работает иначе. Устройства могут передавать и принимать данные одновременно. Для каждой задачи используются разные частоты. Секретный ингредиент — OFDM (ортогональное частотное разделение каналов). Эта техника разделяет сигнал на параллельные потоки данных. Эти потоки передаются по радиоподканалам. Процессоры на другом конце собирают сигнал обратно. Это эффективно. Это быстро.
MIMO (многовходовой многовыходовой) — еще один ключевой элемент головоломки LTE. Он опирается на использование нескольких антенн и передатчиков как в телефоне, так и на базовой станции. Такая конфигурация обеспечивает одновременную передачу данных на восходящем и нисходящем каналах. Никакого ожидания. Никаких узких мест.
HSPA+ играет другую роль. Она обратно совместима со старыми системами 3G. LTE — нет. HSPA+ — это не будущее. Это способ выжать больше жизни из существующей инфраструктуры. Она выигрывает время. Она продлевает жизненный цикл старого оборудования.
LTE здесь, чтобы остаться. Сети называют «долгосрочной эволюцией», потому что операторы хотят придерживаться этой технологии. Они не хотят тратить огромные деньги на обновление инфраструктуры каждые несколько лет. LTE считается хорошим долгосрочным вариантом, потому что ее легче масштабировать. Для большей пропускной способности. Для лучшей производительности.
Сейчас чистые сети 4G LTE встречаются редко. Сети повсюду представляют собой лоскутное одеяло. У вас есть 3G. У вас есть 4G. Вы даже смешиваете технологии и воздушные интерфейсы 2G. Во многих районах покрытие 2G, 3G и 4G пересекается. Этот хаос можно увидеть на интерактивных картах OpenSignalMaps. В результате даже так называемые 4G-телефоны оснащаются чипами 3G. Они нужны им для доступа к сетям 3G и 3G+, когда сигнал LTE ослабевает.
Крепче держите свой сотовый телефон. Сеть становится быстрее. Она становится пугающе умной.
Живая, дышащая сеть
4G LTE превосходит многие ограничения 3G. Она добавляет целый ряд возможностей, поражающих воображение. Если «Терминатор» и «Матрица» пугали вас, пропустите этот раздел.
Архаичные сети 1G и 2G глупы с технологической точки зрения. Сети 4G — это интеллектуальные машины. Они справляются с перегрузками. Когда тысячи людей застревают на шоссе в час пик, они начинают пользоваться телефонами. Спрос на услуги передачи данных в этом районе резко возрастает.
Системы 3G пасуют. Они спотыкаются. Пользователи расстраиваются. Системы 4G самоорганизуются и самоконфигурируются. Они компенсируют проблемы на лету. Они обеспечивают более быстрый сервис для большего числа людей в затронутой зоне.
Отключения электроэнергии и отказы оборудования часто парализуют системы 3G. У 4G есть возможности самоисцеления. Датчики и продвинутое программное обеспечение обнаруживают проблему. Система перенаправляет трафик через другие вышки до тех пор, пока не будут произведены ремонтные работы.
Удивительно то, что сети 4G выполняют такие обходные маневры без вмешательства человека. Войтек Фелендзер, менеджер по маркетингу технических решений в Nokia Siemens Networks, говорит, что эти системы — самые большие машины, когда-либо созданные человечеством. Они простираются от побережья до побережья. По всему миру. Впервые они становятся достаточно умными, чтобы чинить себя сами.
Несмотря на все это, 4G на самом деле не является радикально новой технологией. Люди в этой отрасли иногда говорят, что за последние 100 лет ничего нового не было изобретено. Это просто новый способ сочетания установленных знаний с более мощным вычислительным оборудованием. Ваш смартфон — тому доказательство. Многие телефоны теперь имеют двухъядерные процессоры. Это вычислительная мощность, о которой несколько лет назад можно было только мечтать.
Так что, если вы когда-либо боялись технологического захвата, возможно, скоро пришло время бежать в свой бункер в дикой природе. А пока продолжайте читать. Вы увидите, как можно наблюдать войну иного рода — между операторами сетей.
Подробнее о 3G
Сети 3G резервируют одинаковое количество спектра как для отправки, так и для приема данных. Смартфоны и другие устройства получают гораздо больше данных, чем отправляют. Сети 4G выделяют гораздо больше спектра для приема. Результатом является лучшая общая скорость.
Ловушка дефицита спектра
Операторы ведут войну за внимание пользователей. Вы видите рекламу, чувствуете давление. Они хотят, чтобы вы оформили подписку. Для этого им нужна скорость. Им нужно покрытие. Но скорость и покрытие не возникают из ниоткуда.
Они исходят из спектра.
Представьте себе спектр как конечный ресурс. Это ограничивающий ресурс в самом суровом смысле. Государственные агентства продают с аукционов блоки радиочастот. Существует предел. Как только он исчерпан, ресурс исчезает навсегда.
Те, кто выигрывает аукцион, получают лучшие частоты. Низкие частоты. Например, 700 МГц. Эти волны ведут себя как туман. Они оседают. Они проникают сквозь здания. Им все равно на ваши кирпичные стены. Высокие частоты? Они требуют прямой видимости. Дерево блокирует их. Ливень рассеивает их. Операторы жаждут низких диапазонов, потому что надежность окупается.
Стоимость безумна. AT&T потратила почти 2 миллиарда долларов за блок спектра 700 МГц. Это покрывает примерно 300 миллионов человек. Это цена входа для серьезной игры.
Старые технологии требовали непрерывных блоков. Один сплошной кусок спектра. LTE изменила правила игры. Она может объединять частоты. Она использует 700 МГц, 900 МГц, 1,7 ГГц, 2,1 ГГц. Она комбинирует их. Хотя не все частоты равны. Низкие диапазоны по-прежнему правят бал в плане покрытия. Высокие диапазоны правят в плане чистой емкости в плотных городских центрах.
После покупки эфирных частот операторы не просто заменяют вышки. Вы не видите, как они меняют большие металлические ящики на шоссе. Они начинают с ядра сети. Они обновляют маршрутизаторы. Они меняют серверы. Они строятся для масштаба. Потому что спрос никогда не перестанет расти.
3G под любым именем
Царит путаница. Все называют это 4G. Но действительно ли это 4G?
В США почти каждый оператор предлагает сервис быстрее, чем 3G. Они клеят на него ярлык 4G. Нет согласованного определения. HSPA и CDMA/EV-DO технически являются продвинутыми сетями 3G. Но они быстры. Поэтому операторы называют их 4G. Это маркетинг, встречающийся с инженерией.
Влияние 4G и будущее
«Всеобщее 4G станет переломным моментом», — говорит Ричард Карпински, старший аналитик по мобильным технологиям в Yankee Group. «Это повлияет на бизнес, образование, розничную торговлю и многое другое».
Но держите свои ожидания под контролем. Реализм имеет значение. Сети замедляются, когда они перегружены. Это физика. Если вы видите скорости загрузки 10–20 Мбит/с, это победа. Это значимо. Не ожидайте гигабитных скоростей везде.
HD-стриминг? Пока нет. Не совсем. Но видеозвонки без сбоев? Да. YouTube в пути? Абсолютно.
Вот подвох. Вы платите за это. Планы передачи данных в 4G дороги. Ограничения трафика нависают огромной тенью. Они убивают веселье.
Здесь на помощь приходят улучшения качества обслуживания. Представьте, что вы в торговом центре. Дети ходят по магазинам. Вы хотите посмотреть футбольный матч. Вы превысили лимит данных. Сеть перегружена. Она медленная.
Но вы можете заплатить. Единовременный платеж. Временное улучшение. Вы получаете нужную скорость. Вы смотрите матч. Затем вы возвращаетесь к исходным условиям.
Время работы от батареи — еще одна жертва. Сигналы 4G реже, чем 3G. Ваш телефон работает усерднее, чтобы найти их. Он расходует энергию. Вы можете не дотянуть до конца дня. А сами телефоны? Они становятся мощнее. Больше функций. Больше голода до энергии. Устройства нуждаются в улучшении. Большие батареи. Эффективные чипы.
А затем, LTE Advanced
Будущее — это не только 4G. Это LTE Advanced.
Она все еще находится в стадии разработки. Но обещание ошеломляет. Она может сделать ваш текущий смартфон 3G в 100 раз быстрее. Мы говорим о новой эре мобильного интернета.
Веб раскинулся по всему миру. Оборудование. Программное обеспечение. Беспроводные технологии. Он расширяется. Где бы вы ни жили, приходят более быстрые сети. Если вы любите гаджеты, вы обрадуетесь. Интернет будет у вас под рукой. Как никогда раньше.
Часто задаваемые вопросы
Что означает 4G?
4G — это четвертое поколение технологии сотовых сетей, пришедшее на смену 3G. Оно обеспечивает более высокие скорости передачи данных и обрабатывает больший объем трафика, чем его предшественник.
Почему спектр такой дорогой?
Потому что это ограничивающий ресурс. Предложение ограничено правительственными распределениями, а спрос со стороны операторов на покрытие и скорость ненасытен.
Какой частотный диапазон лучше всего подходит для покрытия?
Низкие частоты, такие как 700 МГц, превосходят другие для покрытия. Они лучше проникают через препятствия, такие как здания, по сравнению с высокими частотами, которые полагаются на прямую видимость.
Чем LTE Advanced отличается от стандартного LTE?
LTE Advanced — это эволюция стандарта 4G. Она обещает значительно более высокие скорости — потенциально в 100 раз быстрее, чем старые сети 3G — за счет использования более продвинутых методов обработки сигналов и техники агрегации несущих.
Убьет ли 4G мою батарею?
Вероятно. Поскольку сигналы 4G могут быть реже, устройства тратят больше энергии на поиск приема. В сочетании с более мощными функциями телефона это приводит к более быстрой разрядке батареи по сравнению с устройствами, поддерживающими только 3G.
