Мобильный интернет 3G и 4G: характеристики и особенности
Шаблоны Joomla 3 здесь: http://www.joomla3x.ru/joomla3-templates.html

Мобильный интернет 3G и 4G: характеристики и особенности

Господа, всем доброго времени суток!

Сегодня мы на время отложим всякие там параллельные соединения резисторов и прочие конденсаторы и поговорим на тему, которая, без сомнения, намного ближе ко всем нам. Речь пойдет об интернете, господа. Существуют различные способы его получения от провайдера, но конкретно сегодня, здесь и сейчас я бы хотел обсудить мобильный интернет, который передается операторами сотовой связи посредством воздуха радиоволн. Обсуждать сей вопрос мы будем в научно-потребительском контексте. То есть, сначала постараемся разобрать основные теоретические моменты про то, как все это дело работает, а потом поговорим на тему, как увеличить скорость, добавить стабильности каналу и вообще сделать жизнь чуточку приятнее .

Итак, мобильный интернет. Что нам про него известно? Безусловно, подавляющее большинство вас слышало, что этот самый мобильный интернет не весь на одно лицо, а бывает разных поколений: 2G, 3G, 4G. Уже есть первые работы по поколению 5G и идет речь про 6G, но эти двое пока еще не вошли в нашу жизнь, поэтому погодим их трогать. Внутри каждого из этих поколений есть в свою очередь различные технологии, про них мы обязательно поговорим чуть ниже.

2G мы сразу и безоговорочно отбрасываем, не будем на него тратить наше драгоценное время. Скорости там такие унылые, что даже не поймешь есть этот самый интернет или нет его. С таким интернетом проблематично даже общаться в соцсетях или проверять почту. Да вы и сами наверняка знаете то грустное чувство, когда у вашего мобильника в области уведомлений горит буковка Е или G. Усиливать этот сигнал бесполезно, все равно больше какие-то смешных (100…300) кб/с из него не выжать.

3G это уже интереснее, с ним можно разобраться поподробнее. Скорость в сети 3G при благоприятном стечении обстоятельств может достигать 20 Мбит/с или даже больше. Но чаще она ограничена несколькими мегабитами в секунду, что тоже в целом не так уж и плохо.

Давайте копнем чуть вглубь и узнаем, на каких частотах работает сеть 3G? Есть два варианта: UMTS-900 и UMTS-2100. Как видно из названия, первый работает вблизи 900 МГц, а второй – вблизи 2100 МГц. Следует отметить, что первый вариант вроде как почти не встречается, в отличие от второго, который распространен достаточно широко. Господа, взгляните на рисунок 1, там я нарисовал картинку, где на оси частот отметил области работы сетей 3G.

Рисунок 1 – Частоты 3G

В сетях 3G каналы передачи и приема разнесены по частоте. Каналы передачи от пользователя к базовой станции отмечены на рисунке стрелочкой вверх, а каналы приема пользователем данных отмечены стрелочкой вниз. Таким образом, если забыть про не слишком популярный UMTS-900, то нас интересует две полосы частот с шириной 60 МГц: (1920…1980) МГц и (2110…2170) МГц.

Полосы частот в 60 МГц, предназначенные для передачи и приема данных, разделены между операторами сотовой связи. Ну, то есть Мегафону, Билайну, МТС и Теле-2 отведено по 15 МГц в каждом из этих диапазонов.

Каждому конкретному пользователю в данный конкретный момент времени выделяется не весь канал оператора в 15 МГц, а более узкий канал в 5 МГц. То есть, например, пользователь может в данный момент передавать данные через канал (1920…1295) МГц и принимать данные через канал (2110…2115) МГц. Другие каналы заняты в этот момент другими пользователями. Не следует думать, что на канале в 5 МГц сидит только один пользователь. Нет, их там может быть много.

Внутри сети 3G есть ряд стандартов. Рассмотрим некоторые из них. Они обозначаются мудреными буржуйскими аббревиатурами UMTS, HSDPA, HSPA+. Что под ними скрывается? Давайте разбираться.

Когда вы видите на своем телефоне в строке состояния надпись «3, это значит, что ваш телефон подключен к сети по стандарту UMTS. Как вы, наверняка, не раз замечали, скорость при этом часто оставляет желать лучшего. Теоретический предел скорости для этого стандарта всего лишь порядка 2 Мбит/с, а на деле там обычно какие-то смешные килобиты. Безусловно, этот стандарт можно рассматривать лишь как «на безрыбье и рак рыба», говорить о какой-то комфортной работе тут нельзя.

Следующий стандарт HSDPA уже чуть поинтереснее. Вы его, вне всякого сомнения, знаете по буковке « на вашем телефоне. Здесь уже можно получить теоретически порядка 10 Мбит/с. На деле скорее всего будут какие-то единицы мегабит, что, в принципе, хоть как-то может удовлетворять минимальные нужды в интернете.

Если же на вашем телефоне горит значок «H+», то вам повезло, вы работаете по стандарту HSPA+ и вы выжали практически все из вашей сети 3G. Теоретическая скорость здесь может превышать 20 Мбит/с, а на практике можно поиметь 10 Мбит/с и даже больше.

В сети 3G есть еще один стандарт DC-HSPA+. «DC» здесь означает «Dual Carrier», что в переводе с басурманского может звучать как «двойная несущая». По сути это практически тот же HSPA+, только данные передаются одновременно по двум каналам. Таким образом полоса частот абонента увеличивается в два раза с 5 МГц до 10 МГц. Соответственно, примерно в два раза (на деле, конечно, меньше) возрастает и скорость передачи данных по сравнению с HSPA+.

Теперь, когда мы познакомились с основными стандартами сети, очевидно, у всех сложилось мнение, что HSPA+ это «труЪ», а UMTS – «не труЪ». Но вот незадача, в статус-строке горит лишь унылая надпись «3G» и видос с ютуба не грузится. Что делать? Как поднять скорость? Как заставить загореться «H+»?

Господа, вы наверняка слышали, что для увеличения скорости надо увеличить уровень сигнала от базовой станции в точке приема. Все знают, что чем больше уровень сигнала, принимаемого абонентом от базовой станции, тем большую можно получить скорость. На самом деле это верно, но лишь отчасти. Основную роль здесь играет даже не сам уровень сигнала, а отношение сигнал/шум. Это отношение показывает, во сколько раз мощность сигнала больше (или меньше) мощности шума. Определение это не совсем академически точное, но достаточно хорошо отражает суть вещей. В основном именно отношение сигнал/шум определяет то, какой из стандартов 3G (UMTS, HSDPA или HSPA+) будет работать в данный момент.

От чего же зависит отношение сигнал/шум? Капитан Очевидность намекает, что от сигнала и шума .То есть отношение сигнал/шум тем больше, чем мощнее наш полезный сигнал от базовой станции в точке приема. И оно тем больше, чем меньше там шумы. По шумам тут не все так однозначно. Дело в том, что влияние оказывают как внешние источники шума (индустриальные помехи на нужных нам частотах, сосед с каким-нибудь адским прибором, доблестный работник роскомнадзора , включивший нам глушилку сотовой связи и т.п.), так и внутренние шумы, обусловленные самим нашим приемным устройством. Да, каждое приемное устройство имеет, к сожалению, свои собственные шумы (шумы микросхем усилителей, шумы импульсных источников питания устройства и т.п.). Все эти шумы, очевидно, являются вредными и надо стараться их минимизировать.

Вполне возможно, что на первый взгляд совсем не очевидно, как отношение сигнал/шум может влиять на скорость? Действительно, давайте разберемся в этом чуть подробнее. Для этого надо залезть еще глубже в дебри поколения 3G и дойти уже до уровня физических сигналов и понять, чем же различаются на этом уровне между собой UMTS, HSDPA или HSPA+. Среди конечно же не маленького числа отличий выделим самый интересный и, пожалуй, оказывающий наибольшее влияние на скорость. Это различие в типах модуляции сигнала. Про модуляции еще не было статей на моем сайте, поэтому, наверное, не лишним будет отметить, что модуляция – это изменение параметров (амплитуды, частоты или фазы) высокочастотной несущей по закону нашего информационного сигнала. Грубо говоря, у нас есть картинка с котиками, которая хранится на мобильном телефоне в виде нулей и единичек. Мы берем чистый синус в районе 2100 МГц и изменяем, скажем, его амплитуду, согласно нулям и единичкам, которые кодируют котика. После этого шлем этот сигнал в эфир. На приемной стороне мы проделываем обратную операцию и получаем просто нолики и единички уже без синуса. Таким образом, можно передать изображение с котиками. Безусловно, это очень приближенное объяснение, подробнее об этом следует говорить в отдельной статье.

Итак, модуляция. Какая же она бывает в поколении 3G? Это зависит как раз-таки от стандарта. В UMTS скорее всего используется что-то вроде 4-QAM или 8-QAM. Точной информации, к сожалению, не нашел, если у кого-то есть – поделитесь, пожалуйста, в комментариях. В сетях HSDPA модуляция преимущественно 16-QAM, тогда как в HSPA+ она может достигать 64-QAM. В чем тут цимес? А цимес в том, что чем больше порядок модуляции, тем больше данных можно передать в одном символе и тем выше общая скорость передачи данных. Господа, взгляните на рисунки 2 и 3. Там я нарисовал пример осциллограмм сигнал с 4-QAM модуляцией и 8-QAM модуляцией.

Рисунок 2 – Сигнал с 4-QAM модуляцией

Рисунок 3 – Сигнал с 8-QAM модуляцией

Вообще QAM модуляция интересная вещь и заслуживает отдельной статьи. Но поскольку пока я такую статью не подготовил, глубоко во всякие созвездия сигналов пока не будем углубляться, а поговорим о том, что у нас перед глазами. На рисунке 2 я нарисовал четыре символа 4-QAM модуляции, они там разных цветов. Каждый символ 4-QAM кодирует два бита нашей полезной информации. Отличаются эти символы всего-навсего начальной фазой: вы можете наблюдать, как эта фаза скачет при переходе от символа к символу. Бирюзовый символ кодирует последовательность бит 00, фиолетовый – последовательность 01, синий – 10, красный – 11. Это деление условно, можно назначить по-другому, главное, что б передатчик и приемник это понимали. То есть что б нам передать некоторый массив ноликов и единичек, нам надо разбить его на группы по два бита и каждой группе поставить в соответствии синус со своей фазой. Потом эти синусы последовательно склеиваются друг с другом и получается общий сигнал. То есть сигнал на рисунке 2 передает информацию вида 00011011 за условные 0,4 единицы времени. Таким образом, в нашем случае при 4-QAM передается 8 бит (1 байт) за некоторые 0,4 единицы времени.

А что в случае 8-QAM? Там все поинтереснее. Кроме фазы, у нас еще меняется и амплитуда. У нас имеется два различный уровня сигнала – условные 0,5 и 1. Благодаря этому, получается, что 1 символ 8-QAM передает уже не два, а целых три бита информации. Таким образом, за те же самые условные 0,4 единицы времени передастся информация вида 000001010011. То есть в нашем случае при 8-QAM передается 12 бит информации за те же самые 0,4 единицы времени.

Замечаете, господа? Время осталось то же самое, а количество переданной информации возросло! Это значит, что выросла скорость передачи данных! А если мы будем использовать 64-QAM модуляцию, то там один символ 64-QAM (как в HSPA+) будет передавать log2(64) = 6 бит информации. Скорость еще вырастет!

Тут может появиться соблазн в духе «нужно больше QAM!» Что нам мешает, например, сделать какой-нибудь 8192-QAM и получить очень большую скорость? А все те же помехи, господа. С ростом количества бит, передаваемых одним символом, падает помехоустойчивость системы. Помните я говорил про сигнал-шум? Давайте добавим шума нашему сигналу 8-QAM (рисунок 4).

Рисунок 4 – Сигнал 8-QAM + ШУМ

Видите, господа, как шум может испортить сигнал. Те символы, которые имели амплитуду 0,5 стали иметь почти 1, а те, которые были 1, стали чуть ли не 1,5. При таком раскладе уже становится трудно различать символы между собой. И чем больше бит информации в одном символе N-QAM, тем большее влияние оказывает шум. В итоге приходится переходить с 8-QAM на 4-QAM (рисунок 5).

Рисунок 5 – Сигнал 4-QAM + ШУМ

В 4-QAM у нас уже всего один уровень по амплитуде и символы различать становится существенно проще. Правда при этом падает скорость…

То есть что получается? Если у нас хорошее соотношение сигнал/шум и возможно использовать модуляцию 64-QAM, то наше устройство с высокой долей вероятности начинает работать со стандартом HSPA+, и данные передаются на большой скорости. Чем хуже отношение сигнал/шум, тем ниже «число QAM», на котором работа стабильна, тем меньше скорость передачи данных и в конечном счете можно скатиться до стандарта UMTS.

Теперь, господа, надеюсь, вам чуть более понятно какая физика процесса скрыта за простым перескакиванием значка «3G» на значок «H+» в вашем смартфоне .

Наверное, следует отметить пару моментов перед тем, как мы перейдем к обсуждению 4G.

Момент №1. Скорость помимо отношения сигнал/шум зависит от числа подключенных абонентов. Думаю, это должно быть очевидно.

Момент №2. Нехороший провайдер может резать скорость даже при отличном сигнал/шум и минимальном количестве абонентов рядом. Теле2, например, грешит этим…

А теперь поговорим про самое вкусное – 4G.  Скорости в (30…50) Мбит/с здесь совсем не редкость, возможны и более высокие цифры. Согласитесь, весьма неплохо иметь за городом на даче интернет, ничуть не уступающий по скорости домашнему, а в отдельных случаях и превосходящий его. Но с диапазонами частот здесь царит полная дичь, господа. Их тут аж три, они довольно сильно разнесены по частоте друг от друга и все они активно используются на тех или иных вышках. Взгляните на рисунок 6, на нем я на оси частот изобразил все эти диапазоны.

Рисунок 6 – Частоты 4G

Итак, у нас есть три диапазона, которые имеют довольно забавные и на первый взгляд не очевидные названия LTE B20, LTE B3 и LTE B38. Аналогично сетям 3G, каналы передачи и приема данных также разделены по частотам: частоты для передача данных от пользователя к базовой станции обозначена стрелочкой вверх, а приема данных – стрелочкой вниз.

В каждом из диапазонов B20, B3 и B38 частоты передачи и приема также поделены между операторами сотовой связи, причем очень хитрым образом: они там все перемешаны между собой, имеют разную ширину канала и вообще разобраться кто из операторов где там сидит совсем непросто. Но спешу вас в какой-то степени обрадовать: вам нет необходимости детально знать где какой оператор и какая у него ширина канала. Для дальнейшей работы нам вполне достаточно цифр, обозначенных на рисунке 6.

Вы можете меня спросить – а как обстоит дело с модуляцией в 4G? Господа, здесь с ней все еще сложнее, чем в 3G. Здесь применяется модуляция OFDM – передача данных на ортогональных между собой частотах. Возможно в будущем мы поговорим, что под этим скрывается, но явно уже не сегодня . Но суть здесь абсолютно точно такая же, как и у 3G: чем больше отношение сигнал/шум, тем более информационно емкие типы модуляции отдельных несущих можно использовать и тем больше скорость передачи данных.

Итак, господа, после прочтения данной статьи я думаю вам должно быть совершенно очевидно, что для поднятия скорости мобильного интернета нам надо поднимать отношение сигнал/шум. Как это можно сделать? Теоретически это сделать можно двумя путями. Путь номер один это увеличивать сигнал, а путь номер два это уменьшать шум, причем делать все это надо строго в интересующих нас полосах: если мы хотим работать в 3G диапазоне, то это полоса (1920...2170) МГц, а если нас интересует 4G, то в диапазонах (791...862) МГц, (1710...1880) МГц, (2500...2690) МГц. На шум, к сожалению, мы можем влиять достаточно в маленькой степени, однако увеличить сигнал можно.

Один из способов этого – покупка или изготовление антенны для мобильного интернета. Покупку готовой антенны я отверг по ряду соображений, которые я озвучу в начале следующей статьи. Я решил идти путем разработки своей антенны и с удовольствием расскажу вам про этот процесс уже в следующей статье! Ну а на сегодня все, спасибо что прочитали, продолжение будет совсем скоро!


You have no rights to post comments

ГРУППА ВК