Как работает мобильный интернет Гид по всем поколениям сотовой связи

Типичная любительская рация имеет 16 каналов и «бьет» на десятки километров. На общей территории всего 16 пар абонентов могут общаться по такой рации, не мешая друг другу. На аналогичной площади в современном городе десятки тысяч человек одновременно разговаривают по сотовым телефонам, и дефицитных радиочастот хватает на всех. Причина кроется в самом слове «сотовый».

1G

1980-е годы. Мобильные данные: не поддерживаются

Первые мобильные, а точнее автомобильные телефоны, появились в конце 1940-х годов. Огромная башенная антенна с радиусом действия в десятки километров соединяла их с телефонной сетью. В 1960-х каждому радиотелефону стали выделять сразу два канала: один на передачу, другой на прием, чтобы пользователь мог одновременно говорить и слушать (такой режим связи называется дуплексным). Центральная антенна могла обслуживать единицы дуплексных телефонов одновременно. О мобильном интернете в тот момент даже не думали, да и самой Всемирной сети еще не было.

В 1980-х появилась ключевая технология: операторы разделили территории на множество небольших сот, каждая из которых обслуживалась своей базовой станцией — ​антенной, подключенной к телефонной сети по проводам. Теоретически одна станция могла предоставить пары частот для 28 абонентов, хотя на практике число было и того меньше. Главное, что теперь частоты можно было использовать многократно.

Скрыть текст

Nokia Mobira

Каждая сота граничит с шестью соседними. Их зоны действия частично пересекаются, поэтому семь ближайших друг к другу базовых станций не должны иметь общих частот. Зато за пределами «семерки» одни и те же частоты можно использовать снова и снова. Разработчики технологии сотовых сетей первого поколения догадались разделить радиоэфир между абонентами по территориальному признаку.

Этим принципом мы пользуемся и сегодня. Попадая в зону действия базовой станции, мобильное устройство связывается с ней по специальному сервисному каналу и регистрируется в сети. Оператор всегда «знает», рядом с какой станцией вы находитесь и куда перебросить звонок, если кто-то наберет ваш номер. В отличие от рации, сотовый телефон обеспечивает соединение лишь на «последней миле». Несопоставимо большее расстояние сигнал между абонентами проходит по проводам. Так что технологии сотовой связи и мобильного интернета можно назвать беспроводными лишь с долей условности.

2G

1990-е годы. Мобильные данные: от СМС-сообщений до интернета на скорости до 384 кбит/с

Сети 2G сделали мобильную связь по-настоящему массовой. Наши первые моноблоки и раскладушки работали по стандарту второго поколения — ​GSM (Global System for Mobile, глобальный стандарт мобильной связи). Передача сигнала стала цифровой: голоса абонентов перед пересылкой преобразовывались в цифровые данные, и их уже нельзя было перехватить с помощью обычной рации. В сетях появился роуминг: операторы договорились передавать друг другу звонки своих клиентов, и отчасти поэтому стандарт назвали «глобальным». В этом же поколении появился и мобильный интернет.

Скрыть текст

Motorola DYNA T-A-C 8000X

Но главное — ​оборудование второго поколения обслуживало еще больше людей, и на этом стоит остановиться подробнее. В сетях 1G абоненты делили радиоэфир по территориальному принципу: распределялись по сотам. Каждая базовая станция обслуживала до нескольких десятков абонентов, выдавая каждому из них свою пару радиочастот: одну на передачу и одну на прием. Такая технология называется Frequency Division Multiple Access (FDMA), или множественный доступ с делением по частоте.

В  технологии второго поколения заработал дополнительный принцип деления — ​по времени, или Time Division Multiple Access (TDMA). Внутри каждой частоты базовая станция выделяет восемь временных слотов и распределяет их между абонентами. Телефон говорящего преобразует голос в цифровые данные и пересылает их часть в отведенный момент времени. Затем делает паузу, уступая другим, а когда вновь настает его очередь, досылает оставшуюся часть. Аппарат собеседника считывает информацию из нужных слотов, сшивает цифровые данные и восстанавливает из них голос. Все происходит так быстро, что люди ничего не замечают. А телефоны тем временем нарезают частотный диапазон уже не «полосками», а «кубиками».

Раз соединение стало цифровым, неудивительно, что даже первые аппараты второго поколения могли передавать не только голос, но и данные: ​СМС-сообщения. Поздние версии 2G-сетей позволяли выходить в интернет со скоростью до 384 кбит/с. Однако до современных стриминговых скоростей мобильного интернета было еще далеко.

3G

2000-е годы. Мобильные данные: от 2 до 14,7 Мбит/с

В сетях третьего поколения интернет стал по-настоящему широкополосным. Часто под этим термином понимают просто высокую скорость передачи данных мобильного интернета. В более узком смысле слово «широкополосный» подразумевает, что по одному носителю передается сразу несколько потоков информации. Например, единственный провод используется для голосовой связи и интернета одновременно.

Широкополосность тесно связана с понятием модуляции, которую проще объяснить на примере FM-радио. В эфире передается музыка, то есть звук. Человек воспринимает на слух сигналы с частотой от 20 Гц до 20 000 Гц (1 Гц — ​одно колебание в секунду). Однако частота радиоволн в FM-диапазоне намного выше: в районе 100 МГц (миллионов герц). Чтобы радиочастота (несущая) передавала звук, ее модулируют, то есть изменяют: когда уровень звукового сигнала повышается, увеличивается частота несущей, и наоборот. Частота несущей радиоволны колеблется в пределах 180 кГц. Этой полосы пропускания (bandwidth) хватает, чтобы приемник извлек из нее качественный звук. Аббревиатура FM, собственно, и означает частотную модуляцию — ​Frequency Modulation.

Скрыть текст

Nokia 3310

Звук, который мы слышим по радио, устроен куда сложнее и содержит больше информации, чем цифровой сигнал — ​последовательность нулей и единиц. Однако, используя продвинутые алгоритмы модуляции, можно упаковать в несущую волну сразу много цифровых потоков, то есть сделать сигнал широкополосным. И от ширины частотной полосы будет зависеть, сколько именно данных в единицу времени получится передать на удаленные устройства.

В сетях третьего поколения, вместо того чтобы делить частотный диапазон на полосы по 25 кГц (2G FDMA) между абонентами, им дали возможность совместно использовать «магистраль» шириной в 1,23 МГц, то есть в пятьдесят раз больше. Для совместного доступа применили технологию с разделением по коду: CDMA (Code Division Multiple Access). По каналу пришлось передавать значительное количество «лишней» информации (псевдослучайный код), но результат того стоил: скорость мобильного интернета многократно возросла.

4G

2010-е годы. Мобильные данные: от 300 Мбит/с до 3 Гбит/с

Сети четвертого поколения работают приблизительно в том же диапазоне частот, что и 3G и даже 2G (от 800 до 2600 МГц). Но если в начале 1990-х все наши мобильные данные сводились к эсэмэскам, то сегодня мы на лету смотрим видео высокого разрешения, редко сталкиваясь с недостаточной скоротью передачи данных. Технология 4G выжала все соки из эфирного пространства, которое эксплуатировалось десятилетиями. Не зря четвертое поколение ассоциируется с аббревиатурой LTE — ​Long Term Evolution, или долговременное развитие.

Скрыть текст

iPhone 5

Радиоволны, подобно волнам на поверхности воды, могут взаимодействовать с окружающими предметами и друг с другом. Они отражаются от зданий, рассеиваются, проходя сквозь стены, и даже искажают соседние волны. Чтобы волны соседних полос не мешали друг другу, в технологиях FDMA и CDMA между ними оставляли защитный диапазон. Разработчикам 4G удалось использовать эти пустоты и дополнительно уплотнить эфир с помощью технологий MIMO и OFDMA.

MIMO расшифровывается как Multiple Input Multiple Output — ​«множественные входы и множественные выходы». Базовая станция посылает сигнал сразу с двух или более антенн, а мобильное устройство принимает соответственно двумя или более антеннами (да, все они помещаются в компактном корпусе). Несколько версий радиосигнала проходят разные пути в пространстве и искажаются каждый по-своему, но затем компьютер восстанавливает из них качественный исходный сигнал.

За технологией OFDMA (O здесь означает «ортогональный») стоит сложная математика. Но вкратце суть ее в том, что отведенная одному абоненту полоса частот (несущая) разбивается на множество (до 256) поднесущих. Их частотные спектры пересекаются, и они непременно мешали бы друг другу, если бы не были филигранно синхронизированы по времени. В тот момент, когда поднесущая достигает пика мощности, ее ближайшие соседки всегда слабы.

В сетях 4G ресурсы сети используются максимально гибко. Система постоянно варьирует ширину полос, временные слоты и количество поднесущих в зависимости от аппетитов конкретных пользователей и качества радиосигнала. Устройство, которому требуется максимальная скорость, получает широкий канал, и наоборот  — гаджеты, которым достаточно медленного интернета, не расходуют ресурсы сети понапрасну.

5G

2020-е годы. Мобильные данные: от 100 Мбит/с до 20 Гбит/с

Разработчики сетей четвертого поколения нарезали радиоэфир настолько мелкими порциями, что, кажется, вплотную приблизились к теоретическому лимиту ускорения связи. Поэтому впервые за 40 лет мобильные устройства выходят в новый частотный диапазон, который будет намного шире предыдущего. Новые эфирные просторы обеспечат высокую скорость передачи данных: разработчики обещают, что полнометражные фильмы в высоком разрешении мы будем скачивать за считанные секунды. Однако скорость не главный параметр 5G. Важнее количество подключенных устройств: до миллиона на квадратный километр. Сети пятого поколения создаются не только и не столько для людей, сколько для машин: домашней и промышленной автоматики, беспилотного транспорта, устройств интернета вещей. Стандарт текущего тысячелетия развивается экстенсивно: больше частот, больше базовых станций, больше антенн, больше сот.

Подробно о технологиях, на которых строятся сети пятого поколения, читайте в отдельном материале: