Мережі 4G

4G (англ. 4th Generation) — четверте покоління рухомого (мобільного) радіозв'язку, наступник стандартів, які належать до 3G та 2G. Перший прихід поколінь відбувався при переході з аналогових (1G) до цифрових стандартів передачі на початку 1990-х (2G). Наступний крок (3G) приніс підтримку мультимедіа, передачу з розширеним спектром. Очікуваний перехід до 4G принесе All-IP із комутацією пакетів, мобільний широкосмуговий доступ із швидкостями до гігабіта за секунду при передаванні із використанням декількох несучих.

Класифікація

Міжнародний телекомунікаційний союз (англ. International Telecommunication Union, ITU) до стандартів четвертого покоління відносить стандарти мобільної передачі затверджені у специфікації ITM-Advanced у жовтні 2010 року, кандидатами у четверте покоління були визначені 6 радіоінтерфейсів, серед них варіанти LTE-Advanced (3GPP LTE Release 10) та WiMax Release 2 (IEEE802.16m).

Незважаючи на використання деякими операторами позначень «4G» та «четверте покоління» у рекламі послуг що надаються у стандартах Mobile WiMax (маються на увазі оператори Freshtel та Інтеллеком) (IEEE802.16e) та LTE, такі мережі не є відносяться до мереж IMT-Advenced, і не є кандидатами у четверте.

21 жовтня 2010-го року в Женеві Міжнародний телекомунікаційний союз (ITU) завершив проведення оцінки шести технологій, представлених у якості можливих технологій міжнародного мобільного бездротового зв’язку 4G, також відомої як IMT-Advanced. Результатом узгодження цих пропозицій двом технологіям було присвоєно офіційне визначення IMT-Advanced, що дозволило їх кваліфікувати у якості справжніх технологій 4G:

• «LTE-Advanced»
• «WirelessMAN-Advanced».

Розвиток

Подібно до того, як було зі стандартом 3G, ITU взяла під свій контроль 4G, прив'язавши його до специфікації, відомої як IMT-Advanced. Документ закликає до швидкості входять даних в 1 Гбіт / с для стаціонарних терміналів і 100 Мбіт / с для мобільних. Це в 500 і 250 разів швидше в порівнянні з IMT-2000. Це дійсно величезні швидкості, які можуть обігнати рядовий DSL-модем або навіть пряме підключення до широкосмугового каналу.

Бездротові технології відіграють ключову роль в забезпеченні широкосмугового доступу в сільській місцевості. Це більш рентабельно - побудувати одну станцію 4G, яка забезпечить зв'язок на відстані десятків кілометрів, ніж покривати сільгоспугіддя ковдрою з оптоволоконних ліній.

На жаль, ці специфікації є настільки агресивними, що жоден комерційний стандарт в світі не відповідає їм. Історично склалося, що технології WiMAX і Long-Term Evolution (LTE), які покликані досягти такого ж успіху як CDMA2000 і GSM, вважаються технологіями четвертого покоління, але це вірно лише частково: вони обидва використовують нові, надзвичайно ефективні схеми мультиплексування (OFDMA, в відміну від старих CDMA або TDMA які ми використовували протягом останніх двадцяти років) і в них обох відсутня канал для передачі голосу. 100 відсотків їх пропускної здатності використовується для послуг передачі даних. Це означає, що передача голосу буде розглядатися як VoIP. З огляду на те, як сильно сучасне мобільне суспільство орієнтоване на передачу даних, можна вважати це хорошим рішенням.

Де WiMAX і LTE зазнають невдачі, так це в швидкості передачі даних, у них ці значення теоретично знаходяться на рівні 40 Мбіт / с і 100 Мбіт / с, а на практиці реальні швидкості комерційних мереж не перевищують 4 Мбіт / с і 30 Мбіт / с відповідно, що само по собі дуже непогано, однак не задовольняє високим цілям IMT-Advanced. Оновлення цих стандартів - WiMAX 2 і LTE-Advanced обіцяють зробити цю роботу, проте вона досі не завершена і реальних мереж, які їх використовують, як і раніше не існує.

Проте, можна стверджувати, що оригінальні стандарти WiMAX і LTE досить відрізняються від класичних стандартів 3G, щоб можна було говорити про зміну поколінь. І дійсно, більшість операторів по всьому світу, які розгорнули подібні мережі, називають їх 4G. Очевидно, це використовується в якості маркетингу, і організація ITU не має повноважень протидіяти. Обидві технології (LTE зокрема) скоро будуть розгорнуті у багатьох операторів зв'язку по всьому світу протягом декількох наступних років, і використання назви «4G» буде тільки рости.

Переваги

Вперше про бездротові мережі четвертого покоління (4G) заговорило відоме американське Агентство перспективних дослідницьких оборонних проектів (DARPA - Defense Advanced Research Projects Agency), яке свого часу придумало і «провідний» Інтернет. Не дивно, що для бездротового Інтернету DARPA вибрало ту ж архітектуру, яка виявилася такою успішною при створенні звичайного Інтернету. Аспекти бездротового зв'язку 4G: 4G-мережі повинні базуватися на протоколі IP і на організації зв'язку за принципом peer-to-peer (P2P - «рівний-рівному»). Відмітна риса полягає в тому, що кожен пристрій є і приймачем, і передавачем, і маршрутизатором для інших вузлів мережі. І все це - одночасно. Такими властивостями звичайні стільникові мережі не володіють в принципі.

Таким чином, кожен користувач, приєднуючись до мережі, додає мобільний маршрутизатор до її інфраструктури - і тому ємність мережі та її покриття змінюються динамічно. Тобто, якщо багато людей, які працюють у мережі, збираються на невеликому просторі, вони не тільки підвищують потребу у великій пропускної здатності в даному місці, але і створюють можливість маси додаткових маршрутів зв'язку один для одного! Користувачі автоматично будуть перенаправлятися з перевантажених маршрутів на більш вільні. Це дає можливість регулювати навантаження в мережі і підвищувати ефективність її використання. Так, користувачі самі допомагають операторові створювати інфраструктуру мережі.

Головна відмінність мереж четвертого покоління від попереднього, третього, полягає в тому, що технологія 4G повністю заснована на протоколах пакетної передачі даних, в той час як 3G поєднує в собі передачу як голосового трафіку, так і пакетів даних. До родини 4G, як правило, відносять технології, які дозволяють передавати дані в стільникових мережах з швидкістю вище 100 Мбіт / сек. У широкому розумінні 4G - це технології бездротової передачі інтернет-даних Wi-Fi (швидкісні варіанти цього стандарту) і WiMAX (в теорії швидкість може перевищувати 1 Гбіт/сек). У найбільш поширеному зараз у світі стандарті стільникового зв'язку GSM / EDGE (2G) межа швидкості передачі даних складає всього 240 Кбіт/сек. У мережах третього покоління (3G), розгорнутих зараз тільки в Європі, США і деяких країнах Азії (Японія, Тайвань, Сінгапур), швидкість складає до 7-14 Мбіт/сек.

У сучасних бездротових мережах близько 80% коштів витрачається на придбання ділянок землі під базові станції та будівництво конструкцій і лише 20% - на технологічне устаткування. У мережах peer-to-peer ця пропорція змінюється на зворотну: 80% коштів витрачаються на технології. А оскільки вартість технологічних рішень постійно знижується, такі мережі з часом будуть все більш прибутковими на відміну від традиційних стільникових мереж, де спостерігається зворотна тенденція.

Діючі в Україні мережі GSM будуть випробовувати аналогічні проблеми в 2010 - 2012 роках. Проте оскільки на території України відсутні виробники обладнання для стільникового зв'язку, то всі витрати по можливому впровадження мереж 3G європейського походження (UMTS) ляжуть на майбутніх абонентів цих самих мереж. Та й взагалі - дуже великі сумніви викликають можливості впровадження UMTS в Україні в найближчі 10 - 15 років ...

Вся справа в досвіді європейських країн, в яких оператори 3G тільки на одну закупівлю ліцензій уже витратили більше 500 доларів на душу населення, заплативши при цьому десятки мільярдів доларів! А на саме розгортання цих мереж будуть потрібні ще сотні мільйонів доларів!

Ось чому сьогодні в Україні питання вибору стандарту майбутньої мобільної системи - 3G або 4G - залишається відкритим.

Недоліки

• Недолік апаратів, здатних працювати з мережами 4G, полягає в їх високому енергоспоживанні.
• Найбільш важливою проблемою поширення 4G є низька активність інвесторів. Розвиток мереж четвертого покоління затримує те, що мережі 3G мають високий потенціал інтенсивного й екстенсивного розвитку.

Технічні характеристики 4G:

Міжнародний союз телекомунікацій визначає технологію 4G як технологію бездротової комунікації, яка дозволяє досягти швидкості передачі даних до 1 Гбіт/с в умовах руху джерела або приймача, і до 100 Мбіт/с в умовах обміну даними між двома мобільними пристроями. Пересилання даних в 4G здійснюється за протоколом IPv6 (IP версії 6). Це помітно полегшує роботу мереж, особливо якщо вони різних типів.

Для забезпечення необхідної швидкості використовуються частоти 40 і 60 GHz. Обладнання для 4G застосовує технологію мультиплексування з ортогональним поділом частот OFDM. Така методика маніпулювання сигналом дозволяє значно "ущільнити" дані без взаємних перешкод і спотворень. При цьому відбувається розбивка по частотах з дотриманням ортогональності: максимум кожної несучої хвилі припадає на той момент, коли сусідні мають нульове значення. Цим виключається їх взаємодія, а також більш ефективно використовується частотний спектр. Для передачі сигналу застосовується модуляція із зсувом фази (PSK і її різновиди), при якій пересилається більше інформації за відрізок часу, або квадратно амплітудна (QAM), більш сучасна і дозволяє отримати максимум з пропускної спроможності каналу. Конкретний тип вибирається залежно від необхідної швидкості і умов прийому. Сигнал розбивається на певну кількість паралельних потоків при передачі і збирається при прийомі.

Для впевненого прийому та передачі на надвисоких частотах планують застосовувати так звані адаптивні антени, які зможуть підлаштовуватися під конкретну базову станцію. Але в умовах міста таким антен у визначенні правильного напрямку можуть перешкодити завмирання сигналу - його спотворення, що виникають у процесі поширення. Тут виручає ще одна особливість OFDM - стійкість до завмирання (для різних типів модуляції є свій запас на завмирання). Можлива і робота в умовах відсутності прямої видимості, що так заважає телефонами стандарту GSM. Недоліки OFDM - чутливість до доплерівським спотворень і вимогливість до якості електронних компонентів.

4G в Україні

• Станом на перше півріччя 2015 р. в Україні йде активне впровадження стандарту третього покоління UMTS.

• 23.02.2015 р. отримали ліцензії на такий зв'язок такі оператори:
  • Life:) Україна (тепер Lifecell)
  • Київстар
  • МТС Україна (тепер Vodafone Україна)

• 21 липня 2015 року президент України Петро Порошенко підписав указ про запровадження 4G.

• 29 листопада 2016 року НКРЗІ розпочала процес обговорення реалізації частот 4G.

• 22 травня 2017 року МОЗ підвищило норму гранично допустимого рівня електромагнітного випромінення в 4 рази — з 2,5 до 10 мкВт/кв. см, що допоможе пришвидшити впровадження мережі 4G.

• 23 травня 2017 року НКРЗІ встановила стартову вартість ліцензії на використання смуги 10 МГц (2×5 МГц) у всіх регіонах України на рівні 265 млн грн.

• За умови сприятливого розвитку подій та швидкого ухвалення необхідних рішень НКРЗІ сподівається провести відкриті конкурси в діапазонах частот 2600 МГц та 1800 МГц під 4G.

• 18 серпня 2017 року Кабінет міністрів України вніс зміни в «План використання радіочастотного ресурсу України», згідно з якими діапазон 1800 МГц офіційно відкритий для запровадження технологій 4G. Також цими змінами розв'язується питання про гармонізацію спектра приладів короткого радіусу дії: медичні радіоімпланти, прилади для вимірювання рівня затоплення закритих резервуарів, автомобільні радари безпеки дорожнього руху, тощо.

• 18 вересня 2017 року оператор мобільного зв'язку Vodafone Україна повідомив, що почав встановлювати у низці регіонів країни обладнання Huawei з підтримкою технології single RAN і підвищеною пропускною здатністю, яке може бути використане в мережах різних стандартів — 2G, 3G і 4G. Фінальні роботи по оновленню мережі почалися з Харківської області, потім компанія встановить нове обладнання в Дніпропетровській і Чернігівській областях. 2017 року Huawei оновить обладнання на 850 майданчиках оператора, а до кінця 2018 року новим обладнанням буде оснащено близько 3500 базових станцій, що працюють в діапазоні 1800 МГц. В 2016 році Vodafone Україна повністю перейшов на закупівлю нового типу карт — USIM, яка дозволить користуватися послугами не тільки в GSM і UMTS мережах, але і в мережах 4G LTE

• 22 вересня 2017 р. НКРЗІ завершила підготовку нормативно-правових актів для впровадження в Україні мобільного зв'язку 4G. 7 листопада НКРЗІ повідомила, що учасників тендеру на продаж 4G-ліцензій в діапазоні 2600 МГц визначать 23 січня 2018 року, а торги відбудуться в кінці січня.

• 9 листопада 2017 р. Національна комісія призначила перший в Україні тендер на отримання ліцензій для запровадження зв'язку нового поколіннія 4G на 23 січня 2018 р. Ліцензії даватимуть на частоти 2600 МГц. Пізніше, ймовірно в лютому, проведуть і на діапазон 1800 МГЦ. Стартова ціна буде 2,3 млрд та 4 млрд грн відповідно. Для участі в тендері подали заявки оператори мобільного зв'язку Київстар, Vodafone Україна та lifecell. Всі три оператора мають намір позмагатись за шість лотів по 10 МГц кожен, а сьомий, шириною 20 МГц, зацікавив лише представників Vodafone Україна та lifecell.

• Кількість пристроїв з підтримкою технології 4G в мережі оператора Vodafone Україна за результатами 1 півріччя 2017 року перевищила 2,2 млн, збільшившись протягом року в два рази. За прогнозами аналітиків компанії такий темп зростання проникнення пристроїв LTE збережеться в найближчі два роки. Таким чином, до моменту планового запуску 4G в 2018 році рівень проникнення смартфонів з підтримкою цієї технології в мережі Vodafone в середньому по країні сягне близько 20 %.

Цікаві факти

1. Перша в світі мережа для мобільних комунікацій 4-го покоління офіційно запущена в Китаї 28 січня 2007. Побудована мережа 4G забезпечує швидкість бездротової передачі даних в 100 Мбіт / сек. Проект обійшовся Китаю в $ 19,2 млн.
2. Рекорд швидкості передачі даних в при тестуванні устаткування для мереж стільникового зв'язку 4G був встановлений японською компанією NTT DoCoMo - 5 Гбіт / с на 100-мегагерцовой частоті. Після досягнення максимальної швидкості передачі даних рівною 2,5 Гбіт / с в місті Yokosuka 14 грудня 2005 DoCoMo провів ще один експеримент в тому ж самому місті 25 грудня 2006 року і подвоїв свій результат.
3. У Південній Кореї розроблена альтернатива мереж 4G - технологія NoLA (New Nomadic Local Area Wireless Access), в якій дані завантажуються зі швидкістю 3,6 Гб / с. Ведеться робота над поєднанням NoLA і IPTV (цифрове інтерактивне телебачення в мережах передачі даних за протоколом IP).
4. Nokia Siemens Networks запропонували ще одну альтернативу 4G - стандарт I-HSPA (Internet High Speed Packet Access), що дозволяє здійснювати передачу даних на швидкості до 43 Мбіт / с, при цьому користувачам не потрібно міняти мобільні телефони, якими вони користуються. I-HSPA націлений забезпечити пряме IP-з'єднання між основною мережею і базовими станціями. Це дозволить скоротити час очікування в мережі і, завдяки простій архітектурі, знизить вартість обладнання. Щоб перейти до I-HSPA, провайдери повинні під'єднати I-HSPA "адаптери" до кожної базової станції та здійснити підключення безпосередньо через IP до основної мережі. I-HSPA-сумісне обладнання надійде у продаж вже дуже скоро.

Порівняння стандартів

Джерела

• взято з www.from-ua.com
• Взято з wikipedia.org
• Взято з connect4g.narod.ru
• Доповнення про 4G http://www.winline.ru/hardware/mobile/besprovodnaya_tehnologiya_4g.php
• Доповнення недоліків та опис поколінь http://enprom.com.ua/newtechnologies/76-4g-.html