4G [1] — это четвертое поколение технологии широкополосных сотовых сетей , пришедшее на смену 3G и предшествовавшее 5G . Система 4G должна обеспечивать возможности, определенные МСЭ в IMT Advanced . Потенциальные и текущие приложения включают обновленный мобильный веб- доступ, IP-телефонию , игровые сервисы, мобильное телевидение высокой четкости , видеоконференции и 3D-телевидение .
Однако в декабре 2010 года ITU расширил свое определение 4G, включив в него долгосрочное развитие (LTE), глобальную совместимость для микроволнового доступа (WiMAX) и развитый высокоскоростной пакетный доступ (HSPA+). [2]
Первая версия стандарта WiMAX была коммерчески внедрена в Южной Корее в 2006 году и с тех пор применяется в большинстве стран мира.
Первая версия стандарта LTE была коммерчески внедрена в Осло (Норвегия) и Стокгольме (Швеция) в 2009 году и с тех пор применяется в большинстве частей мира. Однако ведутся споры о том, следует ли считать первые версии 4G. Стандарт беспроводной сотовой связи 4G был определен Международным союзом электросвязи (ITU) и определяет ключевые характеристики стандарта, включая технологию передачи и скорость передачи данных.
Каждое поколение беспроводной сотовой технологии увеличивало скорость полосы пропускания и пропускную способность сети. 4G имеет скорость загрузки до 150 Мбит/с и отдачу 50 Мбит/с, тогда как пиковая скорость 3G составляет 7,2 Мбит/с и отдача 2 Мбит/с. [3]
По состоянию на 2022 год [update]на технологию 4G приходилось 60 процентов всех мобильных подключений во всем мире. [4]
В ноябре 2008 года Международный союз электросвязи – сектор радиосвязи (ITU-R) определил набор требований к стандартам 4G, получивший название «Спецификация International Mobile Telecommunication Advanced» (IMT-Advanced), устанавливая требования к пиковой скорости для услуги 4G на уровне 100 мегабит в секунду. секунда (Мбит/с) (= 12,5 мегабайт в секунду) для связи с высокой мобильностью (например, в поездах и автомобилях) и 1 гигабит в секунду (Гбит/с) для связи с низкой мобильностью (например, пешеходы и стационарные пользователи). [5]
Поскольку первые версии Mobile WiMAX и LTE поддерживают пиковую скорость передачи данных гораздо меньше 1 Гбит/с, они не полностью совместимы с IMT-Advanced, но поставщики услуг часто называют их 4G. По словам операторов, под поколением сети подразумевается внедрение новой технологии, не имеющей обратной совместимости. 6 декабря 2010 года МСЭ-R признал, что эти две технологии, а также другие технологии, выходящие за рамки 3G, которые не соответствуют требованиям IMT-Advanced, тем не менее могут считаться «4G», при условии, что они представляют собой предшественников совместимых с IMT-Advanced технологий. версии и «значительный уровень улучшения производительности и возможностей по сравнению с первоначальными системами третьего поколения, развернутыми в настоящее время». [6]
Mobile WiMAX Release 2 (также известный как WirelessMAN-Advanced или IEEE 802.16m ) и LTE Advanced ( LTE-A) являются обратно совместимыми с IMT-Advanced версиями двух вышеупомянутых систем, стандартизированными весной 2011 года и многообещающими . скорости порядка 1 Гбит/с. Ожидалось, что услуги будут оказаны в 2013 году. [ требуется обновление ]
В отличие от предыдущих поколений, система 4G не поддерживает традиционную телефонную связь с коммутацией каналов , а вместо этого полагается на связь, основанную только на интернет-протоколе (IP), например IP-телефонию . Как показано ниже, технология радиосвязи с расширенным спектром , используемая в системах 3G, отказалась от использования во всех системах-кандидатах 4G и заменена передачей OFDMA с несколькими несущими и другими схемами выравнивания частотной области (FDE), что позволяет передавать очень высокие скорости передачи данных, несмотря на обширные многолучевое распространение радиосигнала (эхо). Пиковая скорость передачи данных дополнительно повышается за счет интеллектуальных антенных решеток для связи с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO).
В области мобильной связи «поколение» обычно относится к изменению фундаментальной природы услуги, технологии передачи без обратной совместимости, более высоким пиковым скоростям передачи данных, новым полосам частот, более широкой полосе частот канала в герцах и выше. возможность одновременной передачи большого количества данных (более высокая спектральная эффективность системы в битах /секундах/Герцах/сайте).
Новые поколения мобильных устройств появлялись примерно каждые десять лет с момента первого перехода от аналоговой (1G) передачи данных к цифровой (2G) в 1992 году. В 2001 году за этим последовала поддержка мультимедиа 3G, передача с расширенным спектром и минимальный пиковый бит. со скоростью 200 кбит/с , а в 2011/2012 году за ним последует «настоящий» 4G, который относится к полностью IP -сетям с коммутацией пакетов , обеспечивающим сверхширокополосный мобильный доступ (гигабитная скорость).
Хотя МСЭ принял рекомендации по технологиям, которые будут использоваться для будущих глобальных коммуникаций, он фактически не выполняет работу по стандартизации или разработке самостоятельно, вместо этого полагаясь на работу других организаций по стандартизации, таких как IEEE, WiMAX Forum и 3GPP.
В середине 1990-х годов организация по стандартизации ITU-R опубликовала требования IMT-2000 в качестве основы для того, какие стандарты следует считать системами 3G , требующими пиковой скорости передачи данных 2000 кбит/с. [7] В 2008 году ITU-R определил требования IMT Advanced (International Mobile Telecommunication Advanced) для систем 4G.
Самый быстрый стандарт на основе 3G в семействе UMTS — это стандарт HSPA+ , который коммерчески доступен с 2009 года и предлагает скорость 21 Мбит/с в нисходящем направлении (11 Мбит/с в восходящем направлении) без MIMO , т. е. только с одной антенной, а в 2011 году был ускорен вверх. до пиковой скорости передачи данных в нисходящем направлении до 42 Мбит/с с использованием DC-HSPA+ (одновременное использование двух несущих UMTS по 5 МГц) [8] или 2x2 MIMO. Теоретически возможны скорости до 672 Мбит/с, но они еще не внедрены. Самый быстрый стандарт на базе 3G в семействе CDMA2000 — это EV-DO Rev. B , который доступен с 2010 года и обеспечивает скорость нисходящего потока 15,67 Мбит/с.
См. здесь: Диапазоны частот LTE.
В этой статье речь идет о 4G с использованием IMT-Advanced ( International Mobile Telecommunication Advanced ), как определено ITU-R . Сотовая система IMT-Advanced должна отвечать следующим требованиям: [9]
В сентябре 2009 года предложения по технологиям были представлены Международному союзу электросвязи (ITU) в качестве кандидатов на 4G. [11] В основном все предложения основаны на двух технологиях:
Внедрение Mobile WiMAX и первой версии LTE в значительной степени считалось временным решением, которое обеспечит значительный импульс до тех пор, пока не будут развернуты WiMAX 2 (на основе спецификации 802.16m) и LTE Advanced. Стандартные версии последнего были ратифицированы весной 2011 года.
Первый набор требований 3GPP для LTE Advanced был утвержден в июне 2008 года. [12] LTE Advanced был стандартизирован в 2010 году как часть версии 10 спецификации 3GPP.
Некоторые источники считают, что первые версии LTE и Mobile WiMAX относятся к версиям, предшествующим 4G или близким к 4G, поскольку они не полностью соответствуют запланированным требованиям 1 Гбит/с для стационарного приема и 100 Мбит/с для мобильного приема.
Путаница была вызвана некоторыми операторами мобильной связи, которые выпустили продукты, рекламируемые как 4G, но которые, согласно некоторым источникам, являются версиями до 4G, обычно называемыми 3.9G, которые не соответствуют принципам, определенным ITU-R для стандартов 4G, но сегодня согласно ITU-R можно назвать 4G. Например, Vodafone Нидерланды рекламировала LTE как 4G, а LTE Advanced — как свою услугу «4G+». Распространенным аргументом в пользу обозначения систем 3.9G как нового поколения является то, что они используют полосы частот, отличные от технологий 3G; что они основаны на новой парадигме радиоинтерфейса; и что стандарты не имеют обратной совместимости с 3G, в то время как некоторые стандарты прямо совместимы с версиями тех же стандартов, совместимыми с IMT-2000.
По состоянию на октябрь 2010 года Рабочая группа 5D МСЭ-R утвердила две разработанные в отрасли технологии (LTE Advanced и WirelessMAN-Advanced) [13] для включения в продвинутую программу МСЭ по международной мобильной электросвязи ( программа IMT-Advanced ), которая ориентирована на глобальные системы связи, которые будут доступны через несколько лет.
LTE Advanced (Long Term Evolution Advanced) — кандидат на стандарт IMT-Advanced , официально представленный организацией 3GPP в ITU-T осенью 2009 года и ожидаемый к выпуску в 2013 году. [ требует обновления ] Цель 3GPP LTE Advanced заключается в том, чтобы достичь и превзойти требования МСЭ. [14] LTE Advanced — это, по сути, усовершенствованная версия LTE. Это не новая технология, а скорее улучшение существующей сети LTE. Этот путь обновления делает предложение LTE более экономичным для поставщиков, а затем обновление до LTE Advanced, что аналогично обновлению с WCDMA на HSPA. LTE и LTE Advanced также будут использовать дополнительные спектры и мультиплексирование, чтобы обеспечить более высокие скорости передачи данных. Координированная многоточечная передача также позволит увеличить пропускную способность системы для обработки возросшей скорости передачи данных.
Развитие стандарта 802.16e IEEE 802.16m или WirelessMAN-Advanced (WiMAX 2) находится в стадии разработки с целью удовлетворения критериев IMT-Advanced: 1 Гбит/с для стационарного приема и 100 Мбит/с для мобильного приема. [15]
Технологию долгосрочного развития (LTE) 3GPP до 4G часто называют «4G – LTE», но первая версия LTE не полностью соответствует требованиям IMT-Advanced. LTE имеет теоретическую чистую пропускную способность до 100 Мбит/с в нисходящей линии связи и 50 Мбит/с в восходящей линии связи, если используется канал 20 МГц, и больше, если используется система с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO), то есть антенные решетки. , используются.
Физический радиоинтерфейс на ранней стадии назывался « Высокоскоростной пакетный доступ OFDM» (HSOPA), а теперь называется « Развитый наземный радиодоступ UMTS» (E-UTRA). Первые USB-ключи LTE не поддерживают какой-либо другой радиоинтерфейс.
Первая в мире общедоступная услуга LTE была открыта в двух скандинавских столицах — Стокгольме ( системы Ericsson и Nokia Siemens Networks ) и Осло ( система Huawei ) 14 декабря 2009 года под брендом 4G. Пользовательские терминалы были произведены компанией Samsung. [16] По состоянию на ноябрь 2012 года пять общедоступных услуг LTE в США предоставляются компаниями MetroPCS , [17] Verizon Wireless , [18] AT&T Mobility , US Cellular , [19] Sprint , [20] и T-Mobile. НАС . [21]
T-Mobile Венгрия запустила публичное бета-тестирование (так называемое дружественное пользовательское тестирование ) 7 октября 2011 года и предлагает коммерческие услуги 4G LTE с 1 января 2012 года .
В Южной Корее SK Telecom и LG U+ предоставили доступ к услуге LTE с 1 июля 2011 года для устройств передачи данных, которые планируется распространить по всей стране к 2012 году. [22] KT Telecom закрыла свою услугу 2G к марту 2012 года и в том же году завершила общенациональную услугу LTE. частота около 1,8 ГГц к июню 2012 года.
В Соединенном Королевстве услуги LTE были запущены компаниями EE в октябре 2012 года, [23] O2 и Vodafone в августе 2013 года, [24] и Three в декабре 2013 года. [ 25]
Стандарт мобильного беспроводного широкополосного доступа (MWBA) Mobile WiMAX (IEEE 802.16e-2005) (также известный как WiBro в Южной Корее) иногда обозначается как 4G и обеспечивает максимальную скорость передачи данных 128 Мбит/с по нисходящему каналу и 56 Мбит/с по восходящему каналу. Каналы шириной 20 МГц. [ нужна цитата ]
В июне 2006 года первая в мире коммерческая услуга мобильного WiMAX была открыта компанией KT в Сеуле , Южная Корея . [26]
Sprint начал использовать Mobile WiMAX с 29 сентября 2008 года, обозначив его как сеть «4G», хотя текущая версия не соответствует требованиям IMT Advanced для систем 4G. [27]
В России, Белоруссии и Никарагуа широкополосный доступ в Интернет WiMax предлагала российская компания « Скартел» и также носила бренд 4G, Yota . [28]
В последней версии стандарта WiMax 2.1 стандарт был обновлен, чтобы быть несовместимым с более ранним стандартом WiMax и вместо этого является взаимозаменяемым с системой LTE-TDD, эффективно объединяя стандарт WiMax с LTE.
Подобно тому, как технологии долгосрочного развития (LTE) и WiMAX активно продвигаются в мировой телекоммуникационной отрасли, первый (LTE) также является самой мощной ведущей технологией мобильной связи 4G и быстро завоевал китайский рынок. TD-LTE , один из двух вариантов технологии радиоинтерфейса LTE, еще не развит, но многие отечественные и международные операторы беспроводной связи один за другим переходят на TD-LTE.
Данные IBM показывают, что 67% операторов рассматривают LTE, поскольку это основной источник их будущего рынка. Вышеуказанные новости также подтверждают заявление IBM о том, что, хотя только 8% операторов рассматривают возможность использования WiMAX, WiMAX может обеспечить самую быструю передачу данных по сети для своих клиентов на рынке и может бросить вызов LTE.
TD-LTE — не первый стандарт передачи данных беспроводной мобильной широкополосной сети 4G, но это китайский стандарт 4G, в который были внесены поправки и опубликованы крупнейшим оператором связи Китая — China Mobile . После серии полевых испытаний ожидается выход в коммерческую фазу в ближайшие два года. Ульф Эвальдссон, вице-президент Ericsson, заявил: «Министерство промышленности Китая и China Mobile в четвертом квартале этого года проведут крупномасштабные полевые испытания, к тому времени Ericsson поможет». Однако, учитывая текущую тенденцию развития, вопрос о том, будет ли этот стандарт, продвигаемый China Mobile, широко признан на международном рынке, все еще остается спорным.
UMB ( Ultra Mobile Broadband ) — торговая марка прекращенного проекта 4G в рамках группы стандартизации 3GPP2 , направленного на улучшение стандарта мобильных телефонов CDMA2000 для приложений и требований следующего поколения. В ноябре 2008 года компания Qualcomm , ведущий спонсор UMB, объявила о прекращении разработки технологии в пользу LTE. [29] Цель заключалась в достижении скорости передачи данных более 275 Мбит/с в нисходящем направлении и более 75 Мбит/с в восходящем направлении.
На раннем этапе ожидалось, что система Flash-OFDM будет доработана до стандарта 4G.
Система iBurst (или HC-SDMA, множественный доступ с пространственным разделением высокой емкости) на раннем этапе считалась предшественником 4G. Позже он получил дальнейшее развитие в системе мобильного широкополосного беспроводного доступа (MBWA), также известной как IEEE 802.20.
Во всех предлагаемых технологиях 4G можно наблюдать следующие ключевые особенности:
В отличие от предыдущих поколений, системы 4G не поддерживают телефонию с коммутацией каналов. В стандартах IEEE 802.20, UMB и OFDM [31] отсутствует поддержка мягкой передачи обслуживания, также известной как кооперативная ретрансляция .
В последнее время все большее значение для систем следующего поколения приобретают новые схемы доступа, такие как ортогональная FDMA (OFDMA), FDMA с одной несущей (SC-FDMA), чередующаяся FDMA и CDMA с несколькими несущими (MC-CDMA). Они основаны на эффективных алгоритмах БПФ и выравнивании частотной области, что приводит к меньшему количеству умножений в секунду. Они также позволяют гибко управлять полосой пропускания и формировать спектр. Однако они требуют расширенного динамического распределения каналов и адаптивного планирования трафика.
WiMax использует OFDMA в нисходящем и восходящем канале. Для LTE (телекоммуникации) OFDMA используется для нисходящей линии связи; напротив, для восходящей линии связи используется FDMA с одной несущей, поскольку OFDMA вносит больший вклад в проблемы, связанные с PAPR , и приводит к нелинейной работе усилителей. IFDMA обеспечивает меньшие колебания мощности и, следовательно, требует использования энергоэффективных линейных усилителей. Аналогично, MC-CDMA предлагается для стандарта IEEE 802.20 . Эти схемы доступа обеспечивают ту же эффективность, что и старые технологии, такие как CDMA. Помимо этого, могут быть достигнуты масштабируемость и более высокие скорости передачи данных.
Другим важным преимуществом вышеупомянутых методов доступа является то, что они требуют меньших сложностей для выравнивания в приемнике. Это является дополнительным преимуществом, особенно в средах MIMO , поскольку передача с пространственным мультиплексированием в системах MIMO по своей сути требует выравнивания высокой сложности в приемнике.
Помимо усовершенствований в этих системах мультиплексирования, используются улучшенные методы модуляции . В то время как более ранние стандарты в основном использовали фазовую манипуляцию , более эффективные системы, такие как 64 QAM , предлагаются для использования со стандартами 3GPP Long Term Evolution .
В отличие от 3G, который основан на двух параллельных инфраструктурах, состоящих из сетевых узлов с коммутацией каналов и пакетов , 4G основан только на коммутации пакетов . Для этого требуется передача данных с малой задержкой .
Поскольку адреса IPv4 (почти) исчерпаны , [Примечание 1] IPv6 необходим для поддержки большого количества беспроводных устройств, которые обмениваются данными с использованием IP. Увеличивая количество доступных IP-адресов , IPv6 устраняет необходимость в трансляции сетевых адресов (NAT) — методе совместного использования ограниченного числа адресов между большей группой устройств, который имеет ряд проблем и ограничений . При использовании IPv6 по-прежнему требуется какой-то NAT для связи с устаревшими устройствами IPv4, которые также не подключены к IPv6.
По состоянию на июнь 2009 года [update]компания Verizon опубликовала на сайте Wayback Machine спецификации [1], архивированные 6 марта 2018 года, которые требуют, чтобы все устройства 4G в ее сети поддерживали IPv6. [32]
Качество радиосвязи зависит от антенной системы, называемой интеллектуальной или интеллектуальной антенной . В последнее время появляются технологии с несколькими антеннами для достижения целей систем 4G, таких как высокая скорость, высокая надежность и связь на большие расстояния. В начале 1990-х годов для удовлетворения растущих потребностей в скорости передачи данных было предложено множество схем передачи. Одна из технологий, пространственное мультиплексирование , приобрела важное значение благодаря сохранению пропускной способности и энергоэффективности. Пространственное мультиплексирование предполагает размещение нескольких антенн на передатчике и приемнике. Тогда независимые потоки могут передаваться одновременно со всех антенн. Эта технология, называемая MIMO (как ответвление интеллектуальной антенны ), умножает базовую скорость передачи данных на (меньшее из) количество передающих антенн или количество приемных антенн. Помимо этого, надежность передачи высокоскоростных данных в канале с замиранием можно повысить за счет использования большего количества антенн в передатчике или в приемнике. Это называется разнесением передачи или приема . Как разнесение передачи/приема, так и пространственное мультиплексирование передачи относятся к методам пространственно-временного кодирования, которые не обязательно требуют знания канала в передатчике. Другая категория — это технологии с несколькими антеннами с обратной связью, которые требуют знания канала в передатчике.
Одна из ключевых технологий для 4G и последующих технологий называется открытой беспроводной архитектурой (OWA), поддерживающей несколько беспроводных радиоинтерфейсов на платформе с открытой архитектурой .
SDR — это одна из форм открытой беспроводной архитектуры (OWA). Поскольку 4G представляет собой набор стандартов беспроводной связи, окончательная форма устройства 4G будет представлять собой различные стандарты. Это можно эффективно реализовать с помощью технологии SDR, которая относится к области радиоконвергенции.
Система 4G изначально была разработана DARPA , Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США. [ нужна ссылка ] DARPA выбрало распределенную архитектуру и сквозной интернет-протокол (IP) и на ранней стадии верило в создание одноранговой сети, в которой каждое мобильное устройство будет одновременно приемопередатчиком и маршрутизатором для других устройств. в сети, устраняя слабость «лучевого узла» сотовых систем 2G и 3G. [33] [ нужна страница ] Начиная с системы GPRS 2.5G, сотовые системы предоставляют двойную инфраструктуру: узлы с коммутацией пакетов для услуг передачи данных и узлы с коммутацией каналов для голосовых вызовов. В системах 4G от инфраструктуры с коммутацией каналов отказываются и предоставляется только сеть с коммутацией пакетов , тогда как для систем 2.5G и 3G требуются сетевые узлы как с коммутацией пакетов, так и с коммутацией каналов , то есть две инфраструктуры параллельно. Это означает, что в 4G традиционные голосовые вызовы заменяются IP-телефонией.
С 2009 года стандарт LTE претерпел значительные изменения, что привело к его внедрению различными операторами по всему миру. Обзор коммерческих сетей LTE и их исторического развития см. в разделе Список сетей LTE . Среди широкого спектра развертываний многие операторы рассматривают возможность развертывания и эксплуатации сетей LTE. Подборку запланированных развертываний LTE можно найти по адресу: Список запланированных сетей LTE .
4G создает потенциальные неудобства для тех, кто путешествует за границу или хочет сменить оператора связи. Чтобы совершать и принимать голосовые вызовы 4G (VoLTE), телефон абонента должен не только иметь соответствующий диапазон частот (и в некоторых случаях требовать разблокировки ), но также должен иметь соответствующие настройки включения для местного оператора связи и/или страны. Хотя можно ожидать, что телефон, приобретенный у определенного оператора связи, будет работать с этим оператором, голосовые вызовы 4G в сети другого оператора (включая международный роуминг) могут быть невозможны без обновления программного обеспечения, специфичного для местного оператора связи и рассматриваемой модели телефона, что может быть доступен, а может и не быть (хотя переход на 2G/3G для голосовых вызовов все еще возможен, если доступна сеть 2G/3G с соответствующей полосой частот). [60]
Основная проблема в системах 4G заключается в том, чтобы сделать высокие скорости передачи данных доступными в большей части соты, особенно для пользователей, находящихся в незащищенном положении между несколькими базовыми станциями. В текущих исследованиях эта проблема решается с помощью методов макроразнесения , также известных как групповая кооперативная ретрансляция , а также множественного доступа с разделением лучей (BDMA). [61]
Повсеместные сети представляют собой аморфную и в настоящее время полностью гипотетическую концепцию, в которой пользователь может одновременно подключаться к нескольким технологиям беспроводного доступа и беспрепятственно перемещаться между ними (см. вертикальную передачу обслуживания , IEEE 802.21 ). Этими технологиями доступа могут быть Wi-Fi , UMTS , EDGE или любая другая технология доступа будущего. В эту концепцию также включена технология интеллектуального радио (также известная как когнитивное радио ) для эффективного управления использованием спектра и мощностью передачи, а также использование протоколов ячеистой маршрутизации для создания всеобъемлющей сети.
По состоянию на 2023 год многие страны и регионы начали переход от 4G к 5G, следующему поколению сотовой технологии. 5G обещает еще более высокие скорости, меньшую задержку и возможность одновременного подключения огромного количества устройств.
Ожидается, что сети 4G будут сосуществовать с сетями 5G в течение нескольких лет, обеспечивая покрытие в тех регионах, где 5G недоступен.