Инженер-электрик объясняет: Что такое 3G и почему он отключается

Эволюция связи от 3G до 5G В Газете Известия 8 июня 2020 года была опубликована статья «Связь поколений: сеть 3G может исчезнуть в ближайшие 3–5 лет». В ней говорилось следующее:

«Через 3–5 лет стандарт высокоскоростной передачи данных четвёртого поколения (LTE) может полностью вытеснить 3G в России. Такие прогнозы сделали для «Известий» в Tele2 и «Мегафоне».

4G окончательно вытеснит 3G в ближайшие 3–5 лет, считают в Tele2, причем замещение произойдёт быстрее, чем в случае с 2G, — технология VoLTE (Voice over LTE — голос по LTE) пока ещё не настолько набрала обороты.

С позицией коллег соглашаются в «Мегафоне». Представитель оператора допустил, что стандарт 2G проработает ещё десятилетие и будет выведен из эксплуатации позднее, чем 3G.

Устройства 3G и 4G сравнимы по цене, поэтому пользователи интернета при замене аппаратов выбирают более продвинутые устройства 4G/LTE.

Сегодня на стандарт 4G приходится почти 80% всего мобильного интернет-трафика, указали в «Мегафоне».

Российские операторы действительно склоняются к варианту использования частот 3G под 5G или LTE раньше, чем получится задействовать под них частоты 2G, отмечает аналитик MForum Алексей Бойко.

Вице-президент Qualcomm по развитию бизнеса в Восточной Европе Юлия Клебанова типовую формулу развития мобильной связи видит так: «2G поддерживаем, 3G закрываем, 4G расширяем, 5G строим».

Во всем мире сотовые операторы уже более пяти лет обсуждают необходимость отказа как минимум от одной технологии из ряда GSM (2G), UMTS (3G), LTE (4G) — так как содержание трёх сетей одновременно для них накладно. А с появлением 5G параллельно действующих сетей станет уже четыре, говорит генеральный директор ComNews Group Леонид Коник.»

 

Чтобы разобраться с причинами отключения сотовой связи 3G и окончательного перехода на сети стандарта 4G/LTE и 5G мы приводим перевод статьи доцента кафедры электротехники и вычислительной техники Университета Тафтса Mai Vu, опубликованной на сайте The Conversation.

 

Что такое 3G и почему он отключается? Инженер-электрик объясняет

Опубликовано: февраль 22, 2022 1.42 pm GMT

1 3G сворачивается
ФОТО 1 – Солнце садится на сети 3G. Кредит: Ted/Flickr, CC BY-NC.

22 февраля 2022 года AT&T (США) планирует отключить свою сотовую сеть 3G. T-Mobile (США) планируется отключить 1 июля 2022 года, а Verizon (США) должен последовать его примеру 31 декабря 2022 года.

Подавляющее большинство мобильных телефонов в обслуживании работают в сетях 4G/LTE, и мир начал переход на 5G, но целых 10 миллионов телефонов в США по-прежнему полагаются на услугу 3G. Кроме того, функции сотовой сети некоторых старых устройств, таких как Kindles, iPad и Chromebook, привязаны к сетям 3G. Точно так же некоторые старые системы, подключенные к Интернету, такие как домашняя безопасность, автомобильные навигационные и развлекательные системы, а также модемы на солнечных батареях, специфичны для 3G. Потребителям необходимо будет обновить или заменить эти системы.

 

Так почему же телекоммуникационные операторы отключают свои сети 3G?

Как инженер-электрик, который изучает беспроводную связь, я могу объяснить. Ответ начинается с разницы между 3G и более поздними технологиями, такими как 4G/LTE и 5G.

Представьте семейную поездку. Ваш супруг по телефону организует мероприятия в пункте назначения, ваша дочь – подросток транслирует музыку и общается со своими друзьями по телефону, а ее младший брат играет в онлайн – игру со своими друзьями. Все эти отдельные разговоры и потоки данных передаются по сотовой сети, по-видимому, одновременно. Вы, вероятно, считаете это само собой разумеющимся, но задумывались ли вы когда-нибудь, как сотовая система может обрабатывать все эти действия одновременно, из одного автомобиля?

2 3G сворачивается
ФОТО 2 – Как это работает, когда все в вашем автомобиле одновременно используют сотовую связь и передачу данных, а также многие люди в автомобилях вокруг вас? (Хорошая бригада/DigitalVision через Getty Images)

Передача всех этих сообщений

Ответ-это технологический трюк, называемый множественным доступом (multiple access). Представьте, что вы используете лист бумаги, чтобы писать сообщения 100 разным друзьям, одно личное сообщение для каждого человека. Технология множественного доступа, используемая в сетях 3G, похожа на запись каждого сообщения каждому из ваших друзей, используя весь лист бумаги, поэтому все сообщения написаны друг на друге. Но у вас есть специальный набор ручек с разными цветами, который позволяет вам писать каждое сообщение уникальным цветом, и у каждого из ваших друзей есть специальная пара очков, которая показывает только цвет, предназначенный для этого человека.

Однако количество цветных ручек фиксировано, поэтому, если вы хотите отправлять сообщения большему количеству людей, чем количество цветных ручек, которые у вас есть, вам нужно будет начать смешивать цвета. Теперь, когда друг применяет свои специальные линзы, они увидят немного сообщений другим друзьям. Они не увидят достаточно, чтобы прочитать другие сообщения, но перекрытия может быть достаточно, чтобы размыть сообщение, предназначенное для них, что затрудняет чтение.

Технология множественного доступа, используемая сетями 3G, называется Code Division Multiple Access или CDMA. Он был изобретен основателем Qualcomm Ирвином М. Джейкобсом с несколькими другими выдающимися инженерами – электриками. Метод основан на концепции расширенного спектра, идее, которую можно проследить до начала 20-го века. Статья Джейкобса 1991 года показала, что CDMA может многократно увеличить пропускную способность сотовой связи по сравнению с системами в то время.

CDMA позволяет всем пользователям сотовой связи отправлять и получать свои сигналы в любое время и на всех частотах. Таким образом, если 100 пользователей хотят инициировать вызов или использовать услугу сотовой связи примерно в одно и то же время, их сигналы 100 будут перекрываться друг с другом по всему спектру сотовой связи в течение всего времени, пока они общаются.

Перекрывающиеся сигналы создают помехи. CDMA решает проблему помех, позволяя каждому пользователю иметь уникальную подпись: кодовую последовательность, которая может использоваться для восстановления сигнала каждого пользователя. Код соответствует цвету в нашей бумажной аналогии. Если в системе одновременно слишком много пользователей, коды могут перекрываться. Это приводит к помехам, которые усиливаются по мере увеличения числа пользователей.

 

Срезы времени и спектра

Вместо того, чтобы постоянно предоставлять пользователям доступ ко всему спектру сотовой связи, другие методы множественного доступа делят доступ по времени или частоте. Разделение с течением времени создает временные интервалы. Каждое соединение может длиться в течение нескольких временных интервалов, распределённых во времени, но каждый временной интервал настолько короток – вопрос миллисекунд-что пользователь мобильного телефона не воспринимает прерывания из чередующихся временных интервалов. Соединение кажется непрерывным. Этот метод нарезки времени – множественный доступ с временным разделением (по англ. Time-Division Multiple Access) (TDMA).

Разделение также может быть сделано по частоте. Каждому соединению присваивается своя полоса частот в пределах сотового спектра, и соединение является непрерывным в течение его продолжительности. Этот метод частотного среза – это множественный доступ с частотным разделением (по англ. Frequency Division Multiple Access) (FDMA).

В нашей бумажной аналогии FDMA и TDMA подобны разделению бумаги на 100 полос в любом измерении и написанию каждого личного сообщения на одной полосе. FDMA будет, например, горизонтальными полосами, а TDMA – вертикальными полосами. С помощью отдельных полосок все сообщения разделяются.

Сети 4G/LTE и 5G используют ортогональное частотное разделение множественного доступа (по англ. Orthogonal Frequency Division Multiple Access) (OFDMA), высокоэффективную комбинацию FDMA и TDMA. В аналогии с бумагой OFDMA похож на рисование полос вдоль обоих измерений, деление всей бумаги на множество квадратов и назначение каждому пользователю другого набора квадратов в соответствии с их потребностями в данных.

3 3G сворачивается
СХЕМА 3 – Различные методы совместного доступа к ресурсам беспроводной сети. Энтропия 2019, 21(3), 273, CC BY-SA

Время стандарта 3G закончилось

Теперь у вас есть базовое понимание разницы между 3G и более поздними 4G/LTE и 5G. Вы всё еще можете разумно спросить, почему 3G нужно отключить. Оказывается, из-за этих различий в технологии доступа две сети построены с использованием совершенно разного оборудования и алгоритмов.

3G-телефоны и базовые станции работают на широкополосной системе, то есть они используют весь спектр сотовой связи. 4G/LTE и 5G работают на узкополосных или мульти-несущих системах, которые используют срезы спектра. Эти две системы нуждаются в совершенно разных наборах оборудования, от антенны на вышке сотовой связи до компонентов в вашем телефоне.

Поэтому, если ваш телефон является телефоном 3G, он не может подключиться к башне 4G/LTE или 5G. В течение длительного времени поставщики услуг сотовой связи поддерживали свои сети 3G, создавая совершенно отдельную сеть с новым оборудованием башни и обслуживая новые телефоны с использованием 4G/LTE и 5G. Представьте, что вы несете расходы на эксплуатацию двух отдельных сетей одновременно для одной и той же цели. В конце концов, нужно идти вперёд. И теперь, когда операторы начинают всерьез развертывать системы 5G, а время для 3G – прошло.

Источник The Conversation