Про 1G – здесь, про 2G – здесь.

3G – надежды, создание и развитие

На одной из конференций с докладом о поколении мобильных технологий 5G выступал эксперт из японского оператора NTT DoCoMo, который высказал предположение, что концепция 5G, по всей видимости, будет неудачной. То ли в шутку, то ли всерьёз, он высказал предположение о том, что поколения мобильной связи с нечётными номерами всегда являлись неудачными, делая вывод, что такая же участь постигнет и 5G. А удачными были, наоборот, только поколения с чётными порядковыми номерами: пока это только 2G и 4G. Однако, удачи «чётных» поколений, по мнению этого эксперта, закладывались внутри нечётных.

Рисунок 1. Слайд из доклада NTT DoCoMo, озаглавленный «Закон успешности только нечётных поколений» (источник NTT DoCoMo).

И в самом деле, технологии 1G, как уже указывалось, имели много недостатков и долго не прожили, уступив место цифровым поколениям 2G. Причём GSM была настолько удачной, что ей до сих пор пользуются практически все абоненты сотовых сетей, кроме тех, которых некоторые операторы принудительно переводят на 3/4G, как отмечалось в предыдущей статье.

Технология 3G, на которую в своё время возлагалось много надежд, связанных с Интернет-экономикой, этих надежд, в целом, не оправдала.

А надежд на неё возлагалось действительно много. В начале 2000-х годов, возник т.н. «бум дот-комов» (Dotcom Bubble), когда предполагалось, что весь бизнес переместится в Интернет, который будет неограниченно доступен на любом устройстве мобильном или фиксированном, с нужной скоростью, в нужном месте и с нужным количеством информации, которую можно будет получить в два клика на экране.

К этим посулам хорошо подходит поговорка «гладко было на бумаге…».

Однако, хайп 3G в конце 90-х и начале 2000-х сподвиг операторов платить огромные деньги за лицензии на спектр, выделенный под каналы для 3G (цена лицензий доходила до десятков миллиардов долларов). В связи с этим, многие европейские, и не только, операторы понесли значительные убытки, когда «доткомовский пузырь» стал спадать. Например, только оператор Deutsche Telekom потерял на этом почти 3 млрд долларов.

Рисунок 2. Потери DT от приобретения лицензий на частоты 3G в 2001 г., евро тогда стоил дешевле доллара (источник: The Wall Street Journal, 2001).

Однако, причина относительного неуспеха технологии 3G заключалась не только в дороговизне лицензий, но в технологических особенностях, и в тех самых «оврагах». Если для 2G использовались частоты от 800 до 1900 Мгц, то для 3G были выделены частоты от 1,9 до 3,5 – 4,0 ГГц. Ширина полосы пропускания канала также была выше – 5 МГц, вместо 200 кГц в 2G.

Результатом этих изменений было то, что радиоволны такого диапазона гораздо труднее проникали сквозь препятствия – стены домов, окна, и пр., плохо огибали углы зданий и сооружений. В целом, по оценкам операторов, для покрытия сети, аналогичного 2G по качеству приёма, для 3G требуется на порядок большее число базовых станций.

В результате потребовались технические изменения сети доступа, например, вместо больших мощных базовых станций 2G (т.н. macro-BTS), покрывающих большую область, потребовалось большое количество micro-BTS 3G, которые устанавливались внутри помещений и в узких городских улицах, чтобы улучшить качество покрытия сети.

Рисунок 3. Распределённая BTS внутри здания (источник: Signalbooster.com).

Всё это привело к тому, что развитие и развёртывание сетей 3G потребовало гораздо больших затрат, чем это предполагалось вначале.

И, в целом, можно сказать, что инвестиции в развитие сетей 3G практически нигде в мире не окупились. Это мнение автору неоднократно приходилось слышать от представителей различных операторов, как мировых, так и российских.

Однако, нельзя сказать, что развитие 3G было бесполезным этапом развития сотовых сетей. Во время создания и развития сетей 3G, разработки оборудования, приложений, алгоритмов и радио-технологий, были заложены основы для последующих поколений: 4G и далее.

История

Разработка технологий третьего поколения сотовой связи 3G началась с образования в США партнёрства проектов по разработке 3GPP(3G Projects Partnership) и затем 3GPP2. Эти партнёрства разрабатывали технические спецификации двух основных технологий 3G: W-CDMA и CDMA2000 соответственно.

Разработка стандартов и стека технологий 3G находится под управлением региональных организаций: ETSI (Европа), ARIB и TTC (Япония), TTA (Корея) ATIS (США), CCSA (Китай) и др. Общее наблюдение и координация ведётся Международным Телекоммуникационным союзом ITU (International Telecommunication Union), ведающим также распределением спектра частот со штаб-квартирой в Женеве (Швейцария).

Распространение 3G на массовом рынке зависело от совместимости мобильных телефонов с (которые в конце 1990-х – начале 2000-х были ещё довольно дороги) с новыми технологими, а также от обратной совместимости сетевого оборудования операторов с сетями 2G, сосуществование с которыми продолжается и по сию пору.

Когда в конце 1990-х разразился интернет-бум, появились запросы на доступность интернета также и через мобильные устройства, а не только через настольные компьютеры. Сотовые телефоны того времени ещё не могли обеспечить такую возможность.

Рисунок 4. Один из популярных в конце 90-х сотовый телефон GSM от компании Motorola.

Поэтому появились технологии GPRS/EDGE, которые могли обеспечивать доступ к интернет-сайтам через сеть 2G. Такая возможность получила название 2.5G, в отличие от 2G, которая могла обеспечивать только услуги голоса и SMS. Однако, эти технологии пакетной передачи данных по сети GSM могли обеспечивать скорость доступа не более 384 кбит/с, а в реальности было и того меньше. Это сильно ограничивало возможности интернета на мобильных устройствах и не позволяло использовать сервисы, к которым сейчас все привыкли, например, онлайн-видео или онлайн-карты, навигаторы и пр.

В разработанных технологиях 3G, WCDMA и CDMA2000, скорость передачи данных могла достигать 2 Мбит/с для неподвижного или идущего пешком абонента, или 384 кбит/с при движении в автомобиле.

В июне 2001 года японский оператор NTT DoCoMo запустил тестовую сеть 3G. Услуга 3G называлась «i-mode». К сентябрю 2001 года в Японии уже можно было купить три модели телефонов с поддержкой 3G. В октябре 2001 года NTT DoCoMo запустила первую коммерческую сеть 3G на базе технологии WCDMA, которая была представлена под брендом FOMA (Freedom of Mobile Multimedia Access).

Процесс распределения частот 3G в Европе был организован на аукционной основе, когда учитывались не только цена предложения (bid), но и соответствие биддера определённым критериям.

Технологии 3G потребовали больших и лучшего качества экранов мобильных устройств. Этим и была вызвана разработка первых смартфонов.

Считается, что первым смартфоном был iPhone компании Apple. До этого использовался термин Personal Communicator, который представлял собой гибрид PDA (Personal Digital Assitant) – карманного компьютера, и мобильного телефона.

Однако, и до iPhone существовали устройства, которые с полным правом можно было назвать смартфонами, и которые даже превосходили iPhone по функционалу. Например, таковым был персональный коммуникатор i-Mate, выпускавшийся в различных форм-факторах, в т.ч. «слайдер» (в то время как пресловутый «айфон» всегда выпускался только в одном простейшем факторе).

Рисунок 5. Смартфон i-Mate 2003 г. в форм-факторе слайдер (источник: Mobile-Review.com).

Поэтому, iPhone был назван первым смартфоном не по причине своих выдающихся характеристик (например, первая модель айфона не поддерживала 3G, в то время как в i-Mate она уже была), в просто в результате массированной маркетинговой кампании, на которую были затрачены немалые средства.

В результате дальнейшего развития технологий 3G в 2002 году появилась технология высокоскоростного пакетного доступа HSPA (High Speed Packet Access), которая позволяла загружать данные (downlink) на скорости до 14 Мбит/с (HSDPA) и затем в 2004 был разработан вариант для загрузки данных в сеть (uplink), HSUPA, со скоростью 5,74 Мбит/с. Был также разработана технология MBMS (Multimedia Broadcast Multicast Service) для мобильной рассылки данных.

В 2007 году был определён стандарт HSPA+, где использовалась технологии:

• MIMO (Multiple In Multiple Out), которая позволяла использовать несколько антенн на приёмнике и передатчике, кратно увеличивая число задействованных каналов в соединении, повышая его скорость;
• 64QAM, квадратурно-амплитудная модуляция по 64 векторам, при помощи которой можно было достигать скорости в 28 Мбит/с в downlink и 11 Мбит/с в uplink.

Кроме того, в 3G стало возможным использовать опорные сети двух типов:

• Традиционная опорная сеть с коммутацией каналов (Circuit switched Core Network) для услуг голоса и взаимодействия с обычной фиксированной телефонной сетью, которая в начале 2000-х ещё продолжала повсеместно использоваться;
• Опорная сеть с коммутацией пактов (Packet switched Core Network) для услуг голоса в виде IP-телефонии, и для разнообразных услуг передачи данных.

О 3G надо уяснить главное: этот комплекс технологий был предназначен, в основном, для высокоскоростного доступа в Интернет с мобильных устройств. Некоторое время даже использовался термин Monternet – «Мобильный Интернет». Для услуг голоса вместе с 3G продолжала использоваться сеть 2G GSM, которая используется для этого и по сей день.

Речевые услуги в 3G доступны только в виде разновидности услуг передачи данных (т.н. IP-телефония): Skype, Viber, WhatsApp и т.п., а также поддержка речевых технологий в мессенджерах Facebook, Telegram и других).

Лишь в 4G (LTE) появляется т.н. «нативная», т.е. присущая самой технологии, поддержка услуг голоса: VoLTE (Voice over LTE).

***

В следующей статье будут рассмотрены технологические аспекты сетей 3G, которые очень важны для понимания последующего развития технологий мобильной связи.