27-08-2023
4G (от англ. fourth generation — четвёртое поколение) — поколение мобильной связи с повышенными требованиями. К четвёртому поколению принято относить перспективные технологии, позволяющие осуществлять передачу данных со скоростью, превышающей 100 Мбит/с подвижным и 1 Гбит/с — стационарным абонентам.
Технологиям LTE Advanced (LTE-A) и Mobile WiMAX Release 2 (также известным, как WirelessMAN-Advanced или IEEE 802.16m) присвоено официальное обозначение IMT-Advanced, что позволяет их квалифицировать в качестве технологий 4G[1].
Спецификации любого поколения связи, как правило, относятся к изменению фундаментального характера обслуживания, несовместимым технологиям передачи, более высоким пиковым битрейтом, новыми полосами частот, более широким каналом полосы пропускания, выражаемой в единицах частоты — герцах, а также большей ёмкостью для множественной одновременной передачи данных (более высокой системе спектральной эффективности, измеряемой в бит/с/Гц/сектор).
Новые поколения мобильной связи начинали разрабатываться практически через каждые десять лет с момента перехода от разработок первого поколения аналоговых сотовых сетей в 1970-х годах (1G) к сетям с цифровой передачей (2G) в 1980-х годах. От начала разработок до реального внедрения проходило достаточное количество времени (например, сети 1G были внедрены в 1984 году, сети 2G — в 1991 году). В 1990-х годах начал разрабатываться стандарт 3G, основанный на методе множественного доступа с кодовым разделением каналов (CDMA); он был внедрен только в 2000-х годах (в России — в 2002 году[2]). Сети поколения 4G, основанные на IP-протоколе, стали разрабатываться в 2000 году и начали внедряться во многих странах с 2010 года.
В марте 2008 года сектор радиосвязи Международного союза электросвязи (ITU-R) определил ряд требований для стандарта международной подвижной беспроводной широкополосной связи 4G, получившего название спецификаций International Mobile Telecommunications Advanced (IMT-Advanced), в частности установив требования к скорости передачи данных для обслуживания абонентов: скорость 100 Мбит/с должна предоставляться высокоподвижным абонентам (например, поездам и автомобилям), а абонентам с небольшой подвижностью (например пешеходам и фиксированным абонентам)должна предоставляться скорость 1 Гбит/с[3].
Так как первые версии мобильного WiMAX и LTE поддерживают скорости значительно меньше 1 Гбит/с, их нельзя назвать технологиями, соответствующими IMT-Advanced, хотя они часто упоминаются поставщиками услуг, как технологии 4G. 6 декабря 2010 года МСЭ-Р признал, что наиболее продвинутые технологии рассматривают как “4G”, хотя этот термин не определён [4].
Основные исследования при создании систем связи четвёртого поколения ведутся в направлении использования технологии ортогонального частотного уплотнения OFDM[5]. Кроме того, для максимальной скорости передачи используется технология передачи данных с помощью N антенн и их приёма М антеннами — MIMO. При данной технологии передающие и приёмные антенны разнесены так, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.
Системы связи 4G основаны на пакетных протоколах передачи данных. Для пересылки данных используется протокол IPv4; в будущем планируется поддержка IPv6.
Передовые международные мобильные телекоммуникационные системы (IMT-Advanced), опредёленные сектором радиосвязи МСЭ, должны отвечать некоторым требованиям, чтобы считаться сетями поколения 4G[6]:
В 2000 году, когда только шло освоение технологии связи третьего поколения 3G, один из ведущих производителей персональных компьютеров Hewlett-Packard и японский гигант сотовой связи NTT DoCoMo объявили о начале совместных исследований по разработке технологий передачи мультимедиа-данных в беспроводных сетях четвёртого поколения[11]. Помимо них, разработки вели Ericsson и AT&T совместно с Nortel Networks. Впоследствии появилось два действительно пригодных к реализации стандарта: LTE и WiMAX, которые, по мнению IMT-Advanced, и стали новой эрой в развитии сети[1][12].
Стандарт LTE разрабатывался в рамках 3GPP (The 3rd Generation Partnership Project) как продолжение CDMA и UMTS и первоначально не относился к четвёртому поколению мобильной связи[13]. Международным союзом электросвязи как стандарт связи, отвечающим всем требованиям беспроводной связи четвёртого поколения, был избран десятый релиз LTE — LTE Advanced, который впервые был представлен японской компанией NTT DoCoMo. Так как данный стандарт можно реализовать на существующих сотовых сетях, то он стал более популярен у операторов сотовой связи. В апреле 2008 года компания Nokia заручилась поддержкой ряда компаний (Sony Ericsson, NEC) для развития стандарта LTE и придания этому стандарту конкурентоспособности против WiMAX[14][15]. В том же году аналитическая компания Analysys Mason спрогнозировала увеличение роста потребности сотовых технологий, таких как LTE, нежели WiMAX[16]. Первая коммерческая сеть LTE была запущена 14 декабря 2009 года шведской телекоммуникационной компанией TeliaSonera совместно с Ericsson в Стокгольме и Осло[17].
Стандарт WiMAX (или IEEE 802.16) разрабатывается созданной в июне 2001 года организацией WiMAX Forum и является продолжением беспроводного стандарта Wi-Fi, альтернативой выделенным линиям связи и DSL[18]. У стандарта WiMAX много версий, но преимущественно они подразделяются на фиксированный WiMAX (спецификация IEEE 802.16d, также известная как IEEE 802.16-2004, которая была утверждена в 2004 году) и мобильный WiMAX (спецификация IEEE 802.16e, более известная как IEEE 802.16-2005, которая была утверждена в 2005 году). По названиям стандартов ясно, что фиксированный WiMAX предоставляет услуги только «статичным» абонентам после установления и закрепления соответствующего оборудования, а мобильный WiMAX предоставляет возможность подключения пользователям, передвигающимся в зоне покрытия со скоростью до 115 км/час. Сумятицу в умах конечных пользователей может создавать тот факт, что эти две версии несовместимы, и нельзя точно предсказать, как они будут конкурировать и какая из них в итоге доминирует. Преимуществом стандарта WiMAX было то, что он гораздо раньше стандарта LTE стал пригоден к коммерческой эксплуатации. Первую сеть, основанную на технологии WiMAX, построила в Канаде компания Nortel 7 декабря 2005 года[19]. Через два дня, тем самым став первой в странах СНГ, услуги беспроводного широкополосного доступа в сеть интернет стала предоставлять украинская компания «Украинские новейшие технологии» на основе микросхем Intel® PRO/Wireless 5116[20]. В настоящее время компаниями, составляющими WiMAX Forum, являются такие известные производители, как Intel Corporation, Samsung, Huawei Technologies, Hitachi, и многие другие[21].
К маю 2012 года все крупные города Финляндии имеют покрытие сетью 4G несколькими операторами стандартом LTE.[22] [23] В планах — обеспечить 95 % покрытие территории страны за 3 года и 99 % за 5 лет.[24]
С технической точки зрения, основное отличие сетей четвёртого поколения от третьего заключается в том, что технология 4G полностью основана на протоколах пакетной передачи данных, в то время как 3G соединяет в себе как пакетную коммутацию, так и коммутацию каналов. Для передачи голоса в 4G предусмотрены технологии VoLTE (англ. Voice over LTE)[25]
Международный союз электросвязи и 4G Alliance определяют технологию 4G как следующий этап развития беспроводной телекоммуникации, которая позволит достичь скорости передачи данных до 1 Гбит/с в условиях стационарного применения и до 100 Мбит/с в условиях обмена данными с мобильными устройствами доступа. Технология 4G, в частности, позволит абонентам смотреть многоканальные телетрансляции высокой четкости и управлять домашней бытовой техникой с помощью мобильного устройства, совершать дешёвые междугородные телефонные звонки.
Оператор сотовой связи МТС запустил в коммерческую эксплуатацию сеть четвёртого поколения (4G) на базе технологии LTE в Узбекистане. Сеть развёрнута в центральной части Ташкента в частотном диапазоне 2,5-2,7 ГГц, лицензию на использование которого узбекская дочерняя компания МТС получила в октябре 2009 года. Поставщиком оборудования для строительства сети является китайская Huawei Technologies.[26]
В 2010 году расширение 4G сети TeliaSonera продолжается в 25 городах и зон отдыха в Швеции и 4 городов в Норвегии. До конца 2010 года TeliaSonera также внедрили коммерческие сети 4G для клиентов в Финляндии, Дании и Эстонии, а в апреле 2011 и в Литве.[27]
С февраля 2011 года армянский мобильный оператор VivaCell-MTS полностью перешeл к коммерческой эксплуатации сети в Ереване, и ныне развивается в регионах Армении.[28]
С 9 декабря 2011 года в Бишкеке (Кыргызстан) начались подключения к скоростному беспроводному Интернету четвёртого поколения по технологии LTE. Сеть LTE 4G на базе собственных технических ресурсов была развёрнута независимым альтернативным оператором связи Кыргызстана — ЗАО «Saima-Telecom». Сеть покрыла всю столицу — Бишкек, а затем планируется покрыть сетью крупные города Чуйской области. Жители этих городов будут иметь полноценный широкополосный доступ в сеть интернет, которые будут на уровне текущих цен.
17 июня 2011 года в Тирасполе между компаниями СЗАО «Интерднестрком» и Alcatel-Lucent Украина был подписан контракт о строительстве в Приднестровье мобильной сотовой сети 4-ого поколения на базе технологии LTE.
20 апреля 2012 года компанией Интерднестрком в Приднестровье запущена в эксплуатацию первая коммерческая сеть на базе технологии LTE.
В конце второго квартала 2012 года азербайджанский оператор сотовой связи Azercell запустил сеть 4-ого поколения в центре Баку[29].
Производитель телекоммуникационного оборудования Huawei и Министерство связи Бразилии подписали соглашение, в рамках которого Huawei разработает решение LTE в диапазоне 450 МГц, которое будет использоваться для обеспечения мобильным ШПД жителей удаленных и сельских территорий[30].
3 ноября 2012 года SkyLine-WiMAX начинала тестирование на юге России новой платформы широкополосного беспроводного доступа Canopy PMP 450 4G по технологии LTE pro.
26 декабря 2012 года 4G сеть на базе LTE запущена в Казахстане под торговой маркой Altel4g.
18 сентября 2013 года национальный оператор «Алтын Асыр» запустил 4G сеть на базе LTE в Туркменистане[31].
Самой значительной проблемой для развития сетей на обоих стандартах является то, что для них нужны одни и те же диапазоны частот. В первой половине мая 2008 года компания «Скартел» начала закупку десятка предприятий, владеющих необходимыми для внедрения беспроводных широкополосных сетей частотами, и во второй половине того же года уже был осуществлен запуск первой в России коммерческой сети WiMAX[32][33][34]. 9 ноября 2009 года Федеральная служба по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор) опубликовала извещение о проведении четырёх конкурсов по продаже лицензий для оказания услуг широкополосной беспроводной связи в диапазонах 2300—2400 МГц[35]. Конкурсы были запланированы на 18 и 25 февраля, 4 и 11 марта 2010 года и включали 40 регионов России[36]. В итоге 39 из 40 лицензий оказались у компании «Связьинвест», причем 38 из них у дочернего «Ростелекома»; единственным регионом, где «Связьинвест» не выиграл, стала Чеченская Республика и таким образом одна лицензия досталась ЗАО «Вайнах Телеком». Однако, Министерство обороны сразу согласовало данные частотные присвоения лишь с ЗАО «Вайнах Телеком», а вот компании «Ростелеком» пришлось подождать аж до ноября 2011 года[37].
28 декабря 2010 года решением Государственной комиссии по радиочастотам создана некоммерческая организация — Консорциум 4G — представляющая собой союз, основанный на членстве таких учредителей, как ОАО «Вымпелком», ОАО «Мобильные Телесистемы», ОАО «Мегафон» и ОАО «Ростелеком», целью которой является изучение возможностей и условий внедрения в России сетей 4G в диапазонах 800 и 900 МГц, 1,8, 2,1 и 2,5-2,7 ГГц для разработки условий конкурсов на эти частоты (сейчас большинство из них заняты военными)[38]. Привлечение компаний сотовой связи зародило уверенность в том, что в России будут развиваться сети LTE и, кроме того, членство в Консорциуме 4G предполагает возможные преимущества в дальнейшем распределении частот. В январе 2011 года возможность появления LTE сетей в России была оформлена законодательно[39]. По этой причине в феврале 2011 года пополнить ряды Консорциума захотела сотовая компания Tele2, опираясь на опыт построения сети LTE в Швеции, но этого так и не произошло[40][41]. В конце июля 2011 года Консорциум направил в Министерство связи исследования о том, что для развития LTE не стоит использовать отведенные под сети 2G и 3G частоты, а надо воспользоваться цифровым дивидендом — ресурсом, в диапазонах 694—915 МГц и диапазоном 2,5-2,7 ГГц[42]. Опираясь на данное исследование, Государственная комиссия по радиочастотам приняла решение, что двухдиапазонные сети (791—862 МГц и 2500—2600 МГц, FDD) смогут развернуть только четыре оператора и ещё три игрока смогут развернуть сети в одном диапазоне[43]. Роскомнадзор обещал провести конкурсы на данные частоты в феврале 2012 года, но пока этого не сделал[44]. Вне конкурса по всей России частоты получат «Скартел» и созданная при участии Министерства обороны компания «Основа Телеком» (получила частоты в январе 2012 года), в Москве — «Мегафон» и МТС, в регионах — компания «Ростелеком»[45]. В сентябре 2011 года Федеральная антимонопольная служба пригрозила возбуждением административного дела в отношении Министерства связи и массовых коммуникаций и Консорциума 4G за то, что в ходе распределения частотного радиоресурса не были учтены региональные операторы и за то, что в Консорциум 4G до сих пор не могут вступить другие операторы[46].
Тем временем, в сентябре 2011 года проводились конкурсы на частоты для получения WiMAX лицензий в диапазонах 3,4-3,45 ГГц и 3,5-3,55 ГГц в восьми регионах и 29 городах России[47]. Позже Роскомнадзор признал конкурсы в шести регионах несостоявшимися из-за того, что было подано на них лишь по одной заявке, лицензии на два оставшихся региона (Чеченскую Республику и Республику Ингушетия) досталась ЗАО «Вайнах Телеком» и «Ингушэлектросвязь» соответственно[48]. В городах Российской Федерации более всего комплектов лицензий на предоставление связи получил оператор ЗАО «Компания ТрансТелеКом» — одно из дочерних предприятий компании ОАО «Российские железные дороги»[49][50][51]. Стоит отметить, что этот диапазон относится к диапазону сантиметровых волн и его особенностью является то, что сигнал слабо распространяется сквозь стены зданий и потребуется большее количество базовых станций, чтобы обеспечить покрытие[51]. Кроме того данный диапазон крайне вреден для здоровья и возможно поэтому стандарт 4G до сих пор не принят Международным консультативным комитетом по радиовещанию[52].
Коммерческий запуск сетей, основанных на стандарте LTE, впервые в России был осуществлен в Новосибирске в конце декабря 2011 года компанией «Скартел», которая собирается в мае 2012 года полностью перевести все свое оборудование на эту технологию[53][54]. А вот впервые в Москве (март 2012 года) сеть LTE была запущена принадлежащей предпринимателю Евгению Ройтману группе компаний «Антарес»[55]. По состоянию на 16 ноября 2012 года LTE работает более чем в 23-х крупных городах России.
В конце 2011 года в Томске открылся первый в России завод по производству станций 4G[56].
23 апреля 2012 года оператор сотовой связи МегаФон первым из операторов «большой тройки» предоставил своим клиентам в России возможность доступа к услугам мобильной связи четвёртого поколения (4G). Первым городом России, в котором была запущена сеть четвёртого поколения стал Новосибирск[57][58], а чуть позже и Москва[59]
Технологии четвёртого поколения мобильной связи также могут быть использованы в сферах телемедицины, безопасности и охраны общественного порядка, дистанционного образования, транспортного управления и т. д.[45]
Производителями оборудования на сегодняшний день являются такие ведущие компании, как Nokia Siemens Networks, Huawei, Alcatel-Lucent, и другие[60]. В России выпуск сетевого оборудования начала компания Nokia Siemens Networks на базе совместного с НПФ «Микран» и корпорации «Роснано» предприятия под Томском. Выпускаемые ими мультистандартные базовые станции, могут работать как в различных стандартах (2G/GSM/GPRS/EDGE, 3G/WCDMA/UMTS/HSPA и 4G/LTE/FDD/TDD/LTE-Advanced), так и большом количестве частотных диапазонов 800/900/1900/2100/2500/2700 МГц[61].
Первые чипсеты для модемов (MDM9225, MDM9625)[62], которые будут поддерживать сети LTE Advanced, компания Qualcomm планирует выпустить в конце 2012 года. Это первые чипсеты, которые поддерживают технологию агрегации несущих частот, позволяющую комбинировать несколько радиоканалов в нескольких полосах частот. Благодаря этой технологии операторы могут обойти ограничение стандарта LTE в части требования наличия 20 МГц непрерывного спектра и в имеющихся у них LTE-сетях повысить скорость работы пользователей до 150 Мбит/с. Стоит также отметить, что чипсеты MDM9225 и MDM9625 обратно совместимы с более старыми стандартами мобильных сетей — EV-DO Advanced, TD-SCDMA и GSM, в результате чего модемы, в которых они будут устанавливаться, смогут работать в 7 разных режимах: CDMA2000 (1X, DO), GSM/EDGE, UMTS (WCDMA, TD-SCDMA) и LTE (причем, и в LTE-FDD и в LTE-TDD)[63].
Новые системы на чипе Snapdragon 800, предназначенные для мобильных устройств, представила компания Qualcomm на выставке CES 2013. Это первый чип (MSM8974) со встроенным модемом 4G LTE Advanced, поддерживающим агрегацию каналов и скорость передачи данных Cat 4 до 150 Мбит/с.[64] В 2014 году Intel планирует представить модем Intel XMM 7260 с поддержкой LTE Advanced.[65]
Согласно условиям предоставления государством частот операторам связи, связь 4G должна предоставляться по всей России в городах с населением не менее 50 тыс. человек.
На ноябрь 2012 г. коммерческую эксплуатацию сети 4G производят Yota, Freshtel в 69 городах, МегаФон в 12 городах, МТС[66] в Москве и во Владикавказе[67]. Сотовый оператор Мегафон предоставляет 4G-интернет во всех городах, где присутствует Yota (через её сеть)[68].
В сотрудничестве с Yota[70], компания «Мегафон» запустила сеть 4G в следующих городах[71]:
В России:
В Европе:
В США:
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4G.