История технологий мобильной передачи данных

Все мы привыкли и принимаем как должное передачу данных по сотовой сети, возможность пользоваться прямо со смартфона электронной почтой, социальными сетями и просто просматривать веб-страницы. Сейчас мы используем популярные термины 2G, 3G и 4G и сетуем на низкую скорость передачи данных, плохое покрытие оператора или высокие тарифы за услуги. Однако впервые передача данных по мобильным сетям начала практиковаться еще задолго появления Всемирной паутины и протокола HTTP.

Сети первого поколения (1G)

Начало разработки сетей первого поколения (1G) датируется еще 1970 годом, а добрались до реализации в начале 80-х. Сети 1G были аналоговыми и носили региональный характер. Они не позволяли осуществлять роуминг между сетями, иными словами, между собой могли общаться только абоненты одной сети. Тогда о мобильной передаче данных мало задумывались, а Интернета не было как такового. Мобильная связь использовалась исключительно для звонков и предложенная услуга передачи данных (для текстовых сообщений) с небывалой скоростью до 1.9 кбит/с мало кого заинтересовала тогда. Самыми распространенными были стандарты: AMPS, TACT и NMT.
Motorola MicroTAC 9800X
Стандарт AMPS (Advanced Mobile Phone Service — усовершенствованная мобильная телефонная служба, диапазон 800 МГц) — широко использовался в США, Канаде, Центральной и Южной Америке и Австралии. Работой над созданием спецификаций этого стандарта занималась компания AT&T в 1970 году. В 1978 году была построена первая тестовая, а в 1980 году в Чикаго была запущена первая коммерческая сеть AMPS. Стандарт был популярен не только в Северной Америке, но и на других континентах. Позже появился цифровой вариант D-AMPS.
Разновидностью AMPS была разработанная в 1985 году в Великобритании TACS (Total Access Communications System — общедоступная система связи, диапазон 900 МГц), которая использовалась в Англии, Италии, Испании, Австрии, Ирландии, с модификациями ETACS (Англия) и JTACS/NTACS (Япония). Эксплуатация последнего фрагмента этого типа сетей в Великобритании была прекращена 31 мая 2001 года (оператор Vodafone).
Motorola 4500X для сетей ETACS
Mobira Talkman
NMT (Nordic Mobile Telephony) – первый полностью автоматический стандарт сотовой связи в истории. Разработка началась в 1970-х годах комитетом Nordic Telecommunications Administrations, в который входили Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия и некоторые другие европейские страны. Технические данные NMT были готовы к 1973 году, а спецификация базовых станций была закончена в 1977 году. В 1981 году была введена в эксплуатацию первая сеть стандарта NMT, что интересно — в Саудовской Аравии, хотя разработкой занимались европейские страны. Существовало два стандарта: NMT-450 и NMT-900 (в зависимости от частотного диапазона: 450 МГц и 900 МГц соответственно). Существенный вклад в NMT сделали Nokia и Ericsson. Первый звонок в сети стандарта NMT был сделан в Финляндии в 1978 году. Стандарт NMT предусматривал только телефонию, но позже появилась возможность передачи данных на скорости 1.2 кбит/с, но она не прижилась. Первые аппараты были огромными (как Mobira выше), позже появились более привычного нам вида:
Nokia 450 для сетей NMT-450

Сети второго поколения (2G)

С уже неактуальными сетями 1G разобрались, теперь можно переходить и к все еще актуальным стандартам передачи данных в сетях 2G, которые до сих пор активно используются по всему миру.
Замена аналогового AMPS на цифровой стандарт в США была затруднена очень высокой популярностью уже имеющегося стандарта и было необходимо совместимое решение для более плавного перехода. Для этого была создана двухрежимная аналого-цифровая система D-AMPS, которая работала в одном и том же диапазоне. Разработка стандарта была начата в 1988 г. и закончена в 1992 г, использование началось в 1993 г. Параллельно Qualcomm разрабатывала раннюю версия CDMA (Code Division Multiple Access) – метод множественного доступа с кодовым разделением. Принцип работы CDMA заключается в том, что каждому источнику информации назначается индивидуальный код, при помощи которого он кодирует сообщение. Приемник информации знает этот код и выделить закодированное сообщение нужного отправителя из потока других сообщений. Этот стандарт, как и его последователи стал популярен больше всего в Северной Америке. В Европе из-за множества несовместимых аналоговых систем пришлось прибегнуть к разработке единого стандарта GSM (GSM 900 — диапазон 900 МГц). Начало разработки датируется 1982, г., все спецификации были определены к 1987 г., а "на бумаге" это все оформлено в 1988 г. Использование началось в 1991 году, а первый массовый телефон выпустила Nokia.
Nokia 1011 — первый GSM-телефон, который поступил в массовое производство
Стандарт GSM — первый стандарт сотовой связи с разделением каналов по времени (TDMA) и частоте (FDMA), в котором изначально предполагалась передача текстовых сообщений и данных. Первой была технология CSD (Circuit Switched Data) с максимальной скоростью 9.6 кбит/сек. Данные передавались внутри разговорных каналов, соответственно, скорость была ограничена пропускной способностью одного таймслота (единица времени из повторяющегося пакета или кадра, в GSM — это 0,577 мс). Позже, благодаря возможности объединения нескольких свободных таймслотов (до четырех), удалось достичь скорости 57.6 кбит/с, технология получила название HSCSD (High Speed Circuit Switch Data). В сервисах СSD и HSCSD тарификация осуществлялась по времени затраченном на передачу данных. Таких скоростей было достаточно в 90-е годы.

Пару слов о том, что такое TDMA (Time Division Multiple Access) и таймслот

TDMA (Time Division Multiple Access) – множественный доступ с временным разделением. Суть метода в следующем. Каждая несущая частота разбивается на 8 физических каналов, информация по которым передается в последовательности кадров TDMA в циклически повторяющиеся отрезки времени, называемые таймслотами. В каждом из 8 промежутков времени в пределах кадра несущая частота модулируется своим информационным сигналом. Мобильная станция получает доступ ко всей ширине канала, но только в конкретные промежутки времени.
Позже, благодаря возможности объединения нескольких свободных таймслотов (до четырех), удалось достичь скорости 57.6 кбит/с, технология получила название HSCSD (High Speed Circuit Switch Data). В сервисах СSD и HSCSD тарификация осуществлялась по времени затраченном на передачу данных. Таких скоростей было достаточно в 90-е годы. С увеличением интереса пользователей и объемов передаваемых данных, таких возможностей стало недостаточно. Это поспособствовало созданию GPRS (General Packet Radio Service — пакетная радиосвязь общего пользования) — надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных, время от времени называется 2.5G. GPRS позволяет пользователю мобильного телефона производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет. GPRS предполагает тарификацию по объему переданных данных. GPRS предусматривал установку нескольких новых устройств и модернизацию (программную и аппаратную) элементов сети GSM. Максимальная скорость составляет 171.2 кбит/с.
Nokia 6200
Самой скоростной технологией передачи данных в GSM-сетях стала EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution), которая достигается за счет изменения способа модуляции передаваемых данных на радиоинтерфейсе, благодаря этому скорость была увеличена до 326 кбит/с. Для ее поддержки не нужно было кардинально менять инфраструктуру сети или добавлять в нее какие-то новые элементы. Аппаратной замены требуют только сами приемопередатчики, в остальном — только обновление ПО. Первым мобильным телефоном с поддержкой EDGE стала Nokia 6200, которая была представлена в 2002 году.

Сети третьего поколения (3G)

Потребности абонентов растут, что способствует развитию технологий и увеличению скоростей передачи данных
Мобильная связь третьего поколения строится на основе пакетной передачи данных, а скорость передачи данных позволяет полноценно и быстро просматривать тяжелые страницы в сети, смотреть онлайн-видео и совершать видеозвонки. 3G (в начале разработки в 90-х годах фигурировало общее название IMT-2000, International Mobile Telecommunications for the year 2000) на данный момент включает в себя 5 стандартов: UMTS/WCDMA, CDMA2000/IMT-MC, TD-CDMA/TD-SCDMA (китайский локальный), DECT и UWC-136. Фактически, DECT используется в домашней и офисной телефонии, а UWC-136 — это тот же EDGE. TD-CDMA/TD-SCDMA был запущен локально в Китае в 2009 году компанией China Mobile. Используется только там и разработан только для того, чтобы не платить отчисления за использование чужих технологий. Наибольшее распространение в мире получили два стандарта: UMTS (или WCDMA) и CDMA2000, в основе которых лежит одна и та же технология — CDMA (Code Division Multiple Access — множественный доступ с кодовым разделением каналов).
Стандарт CDMA2000, также известен как IMT-CDMA Multi-Carrier или IS-2000. Основной целью создания CDMA2000 было увеличение пропускной способности по сравнению с предшествующим стандартом CDMA One. CDMA One мог похвастаться скоростями: 14.4 кбит/с для стандарта IS-95A и 115 кбит/с — IS-95B. Разработка CDMA2000 началась в 2000 году, организацией 3GPP2. В итоге был выпущен набор стандартов, описывающих новый радио интерфейс и значительные улучшения в сети радио доступа и системе коммутации и CDMA2000 — это эволюционное развитие CDMAOne/IS-95 к стандартам третьего поколения.
Samsung SCH-100 — первый в мире коммерческий телефон с поддержкой CDMA и CDMA 2000
Первый вариант, CDMA2000 1x поддерживает среднюю скорость передачи данных 144 кбит/с. Далее последовала фаза развития в виде EV-DO (Evolution Data Only или Evolution-Data Optimized) с использованием адаптивной модуляции, позволившей увеличить пропускную способность канала. Скорость передачи данных в EV-DO, в зависимости от поколений стандарта, загрузка/отдача:
  • Rel.0 — (CDMA2000 1x EV-DO rel.0) - 2.4 / 0.153 Мегабит в секунду;
  • Rev.A — (CDMA2000 1x EV-DO rev.A) - 3.1 / 1.8 Мбит/с;
  • Rev.B — (CDMA2000 1x EV-DO rev.B) - 73.5 / 27 Мбит/с;
  • Rev.C — 280  / 75  Мбит/с;
  • Rev.D — 500  / 120 Мбит/с.
UMTS - Универсальная система мобильных телекоммуникаций (Universal Mobile Telecommunications System). Разработка стандарта UMTS началась в 1992 году организацией по стандартизации IMT-2000, впоследствии разработка этого стандарта велась 3GPP. Первая сеть UMTS была запущена в коммерческую эксплуатацию в 2001 году в Японии и Норвегии, на данный момент широко используется во всем мире. В качестве способа передачи данных используется технология W-CDMA, стандартизованная в соответствии с проектом 3GPP. Фактически является усовершенствованной GSM сетью с радио интерфейсом по технологии W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access - широкополосный CDMA).
Motorola A820 — один из первых в мире двухрежимных GSM/GPRS и 3G/UMTS телефонов, 2002 год
Максимальная теоретическая скорость передачи данных в сетях UMTS составляет 2 Мбит/с. С развитием сетей был применен тот же метод, что и в случае 2G: смена способа модуляции. В последствии появилась технология HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), входит в семейство технологий высокоскоростной передачи данных HSPA (High Speed Packet Access) для сетей сотовой связи стандарта UMTS. Максимальная теоретическая скорость составляет 14.4 Мбит/с. Эволюционным развитием HSPA стала технология HSPA+ (Evolved High-Speed Packet Access, развитый высокоскоростной пакетный доступ), в который добавлены более сложные модуляции и технология MIMO (мультивход/мультивыход). Теоретически позволяет получить скорости до 42.2 МБит/с при скачивании и отдачи до 5.76 МБит/с.

Сети четвертого поколения (4G)

Потребности абонентов растут, что способствует развитию технологий и увеличению скоростей передачи данных
В начале работ над сетями 4G, была создана спецификация под названием IMT-Advanced, которой должна соответствовать сеть. Одним из основных требований для мобильных устройств была скорость 100 МБит/с. WiMAX и Long-Term Evolution (LTE), которые маркетологически позиционировались как сети четвертого поколения, изначально не соответствовали этим требованиям, хотя принципиально это — действительно существенно отличающиеся от 3G технологии. Обе технологии лишены канала для передачи голоса и 100% их пропускной способности используется для услуг передачи данных. Передача голоса осуществляется по VoIP или (как в современных смартфонах) по 3G или GSM-каналу. Первоначально WiMAX и LTE теоретически поддерживали скорость до 40 МБит/с и 100 МБит/с соответственно, в живых условиях они составляли не более 4 МБит/с и 30 МБит/с, что не . С обновлением этих стандартов — WiMAX 2 и LTE-Advanced скорости повысились уже до соответствующих изначальным требованиям 4G.
LTE (буквально с англ. Long-Term Evolution — долговременное развитие) — стандарт беспроводной высокоскоростной передачи данных, который существенно отличается от сетей стандартов 2G и 3G. Существенные изменения есть как в базовых станциях, так и подсистеме коммутации. Была изменена технология передачи данных между оборудованием пользователя и базовой станцией. Подверглись изменению протоколы передачи данных между сетевыми элементами. Вся информация передается в виде пакетов. Стандарт начал разрабатываться в 2004 году организацией 3GPP и определен в серии документов Release 8, с незначительными улучшениями, описанными в Release 9. Release 10, он же в итоге LTE Advanced уже соответствует требованиям 4G и может похвастаться максимальными теоретическими скоростями загрузки до 326.4 Мбит/с, а отдачи — до 172.8 Мбит/с. Есть сети, которые уже формально могут предложить скорость загрузки до 450 Мбит/с. В разных странах используются различные частоты и полосы для LTE.
Samsung GALAXY S4 LTE-A — первый в мире смартфон с поддержкой LTE-A
WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) — телекоммуникационная технология универсальной беспроводной связи для любых типов устройств. Основана на стандарте Wireless MAN. WMAN (Wireless Metropolitan Area Networks) — беспроводные сети масштаба города. Предоставляют широкополосный доступ к сети через радиоканал. Стандарт IEEE 802.16, опубликованный в апреле 2002 года, описывает wireless MAN Air Interface. Спецификации мобильных и стационарных вариантов отличаются, мобильная утверждена в 2005 году. Как уже выше было написано, мобильный вариант WiMAX (802.16e) давал теоретическую скорость до 40 МБит/с, максимальная теоретическая скорость WiMAX 2 (802.16m) составляет 330 МБит/с.
HTC EVO 4G: первый в мире смартфон с поддержкой WiMAX
Made on
Tilda