4G

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 системой 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 внедрён только в 2000-х годах (в России — в 2002 году^[1]). Сети поколения 4G, основанные на IP-протоколе, стали разрабатываться в 2000 году и начали внедряться во многих странах с 2010 года.

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^[2]. 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^[англ.], и стали новой эрой в развитии сети^[3][4] (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).

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^[5]. 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^[6][7]. В том же году аналитическая компания Analysys Mason спрогнозировала увеличение роста потребности сотовых технологий, таких как LTE, нежели WiMAX^[8].

Первая коммерческая сеть LTE была запущена 14 декабря 2009 года шведской телекоммуникационной компанией TeliaSonera совместно с Ericsson, в Стокгольме и Осло^[9].

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^[10]. 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. Преимуществом стандарта WiMAX было то, что он гораздо раньше стандарта LTE стал пригоден к коммерческой эксплуатации. В настоящее время компаниями, составляющими WiMAX Forum, являются такие известные производители, как Intel Corporation, Samsung, Huawei Technologies, Hitachi и многие другие^[11].

Первую сеть, основанную на технологии WiMAX, построила в Канаде компания Nortel 7 декабря 2005 года^[12].

Через два дня услуги беспроводного широкополосного доступа в сеть интернет стала предоставлять украинская компания «Украинские новейшие технологии» (тем самым став первой в странах СНГ) на основе микросхем Intel® PRO/Wireless 5116^[13].

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^[14].

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. В свою очередь, после запуска мобильными операторами сетей LTE-Advanced в маркетинговых целях их стали называть 4G+. 6 декабря 2010 года МСЭ-Р признал, что наиболее продвинутые технологии рассматривают как «4G», хотя этот термин не определён^[15].

Системы связи 4G основаны на пакетных протоколах передачи данных. Для пересылки данных используется протокол IPv4; в будущем планируется поддержка IPv6.

Для передачи голоса в 4G предусмотрены технологии VoLTE (англ. Voice over LTE)^[16]

Основные исследования при создании систем связи четвёртого поколения ведутся в направлении использования технологии ортогонального частотного уплотнения OFDM^[17]. Кроме того, для максимальной скорости передачи используется технология передачи данных с помощью N-антенн и их приёма М-антеннами — MIMO^[18]. При данной технологии передающие и приёмные антенны разнесены так, чтобы достичь слабой корреляции между соседними антеннами.

Передовые международные мобильные телекоммуникационные системы (IMT-Advanced), определённые сектором радиосвязи МСЭ, должны отвечать некоторым требованиям, чтобы считаться сетями поколения 4G^[19]:

• основываются на коммутации пакетов, используя протоколы IP;
• пиковые скорости передачи данных от 100 Мбит/с для пользователей с высокой мобильностью (от 10 км/ч до 120 км/ч) и от 1 Гбит/с для пользователей с низкой мобильностью (до 10 км/ч)^[20];
• используются динамически разделяемые сетевые ресурсы для поддержки большего количества одновременных подключений к одной соте;
• их масштабируемая полоса частот канала 40 МГц^[21][22];
• минимальные значения для пиковой спектральной эффективности 15 бит/с/Гц в нисходящем канале и 6,75 бит/с/Гц в восходящем канале (имеется в виду, что скорость передачи информации 1 Гбит/с в нисходящем канале должна быть возможна при полосе пропускания радиоканала менее 67 МГц)^[23];
• спектральная эффективность на сектор в нисходящем канале от 1,1 до 3 бит/с/Гц/сектор и в восходящем канале от 0,7 до 2,25 бит/с/Гц/сектор^[21];
• плавный хэндовер через различные сети;
• высокое качество мобильных услуг.

Производителями оборудования на сегодняшний день являются такие ведущие компании, как Nokia Siemens Networks, Huawei, Alcatel-Lucent, и другие^[24]. 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^[25].

Первые чипы для модемов (MDM9225, MDM9625), которые будут поддерживать сети LTE, компания Qualcomm планирует выпустить в конце 2012 года^[26]. 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. Чипы 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 (причём, и в LTE-FDD и в LTE-TDD)^[27].

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, поддерживающим агрегацию каналов и скорость передачи данных Cat 4 до 150 Мбит/с^[28]. В 2014 году Intel планирует представить модем Intel XMM 7260 с поддержкой LTE Advanced^[29].

В России:

• LTE B7 ↑(от абонента) 2500—2570 МГц ↓(к абоненту) 2620—2690 МГц — 2×30 компания «Скартел», 2×10 ОАО «Ростелеком», ОАО «Мобильные ТелеСистемы», ОАО «МегаФон», ОАО «Вымпел-Коммуникации».
• LTE B20 ↑832—862 МГц ↓791—821 МГц — 2×7,5 ОАО «Ростелеком», ОАО «Мобильные ТелеСистемы», ОАО «МегаФон», ОАО «Вымпел-Коммуникации». (план 2013—2019 г.)
• LTE B38(TDD) 2570..2620 МГц — 1×25 ОАО «МегаФон», ОАО «Мобильные ТелеСистемы», ООО «ЕКАТЕРИНБУРГ-2000»
• LTE B40(TDD) 2300..2400 МГц — ОАО «Ростелеком» (2013 г.), ОАО «Основа Телеком», ОАО «Вайнах Телеком»
• LTE B3 ↑1710—1785 МГц ↓1805—1880 МГц — ООО «ЕКАТЕРИНБУРГ-2000»
• 4G диапазон ↑720—750 МГц ↓761-791 МГц — 2×7,5 (рассмотрение в МСЭ)
• 4G диапазон 31 ↑452,5—457,5 МГц ↓462,5—467,5 МГц — ЗАО «Скай Линк»

В Западной Европе:

• 4G FDD Band 8 880,1—889,9 Мгц, 925,1—934,9 Мгц 2х9,8. Orange France
• 4G FDD Band 3 1710—1785 Мгц, 1805—1880 Мгц 2х75. Orange France, SFR, Bouygues Telecom, Free Mobile.
• 4G FDD Band 1 2100 Мгц — 2х60. Orange France.
• 4G FDD Band 7 2500—2570 Мгц, 2620—2690 — 2х75. Orange France, SFR, Bouygues Telecom, Free Mobile.

В США:

• B2 ↑1850—1910 МГц ↓1930—1990 МГц — T-Mobile, MetroPCS (General Wireless).
• B4 — AT&T, T-Mobile, MetroPCS.
• B13 — Verizon.
• B2, B4, B5, B17 — AT&T.
• B25, B26 — Sprint.

В 2010 году расширение 4G-сети TeliaSonera продолжается в 25 городах и зон отдыха в Швеции и в 4 городах 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^[30].

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^[31].

С февраля 2011 года армянский мобильный оператор VivaCell-MTS полностью перешёл к коммерческой эксплуатации сети в Ереване, и ныне развивается в регионах Армении^[32].

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-го поколения на базе LTE.

20 апреля 2012 года запущена в эксплуатацию первая коммерческая сеть LTE.

К маю 2012 года все крупные города Финляндии имеют покрытие сетью 4G несколькими операторами стандарта LTE.^{[33] [34]} В планах — обеспечить 95 % покрытие территории страны за 3 года и 99 % за 5 лет.^[35]

В конце второго квартала 2012 года азербайджанский оператор сотовой связи Azercell запустил сеть 4-го поколения в центре Баку^[36].

26 декабря 2012 года 4G сеть на базе LTE запущена в Казахстане под торговой маркой Altel4g.

Министерство связи Бразилии и Huawei подписали соглашение (2012), в рамках которого Huawei разработает решение LTE в диапазоне 450 МГц, которое будет использоваться для обеспечения мобильным ШПД жителей удалённых и сельских территорий.^[37]

18 сентября 2013 года национальный оператор «Алтын Асыр» запустил 4G-сеть на базе LTE в Туркмении^[38].

С 17 декабря 2015 года в Белоруссии инфраструктурным оператором beCloud в коммерческую эксплуатацию запущена сеть LTE Advanced^[39]. Поставщиком оборудования для LTE-сети стала компания Huawei. На сентябрь 2020 года LTE Advanced работает в трёх диапазонах — 800 МГц, 1800 МГц и 2600 МГц^[40]. Являясь единственной компанией в стране, которая имеет лицензию на осуществление деятельности в области связи стандарта LTE, beCloud предоставляет в пользование свою сеть другим операторам. С конца 2015 года — оператору МТС, с 2016 года — мобильному оператору life:) и провайдеру UNET.by, с марта 2019 — компании А1. В декабре 2019 года компания А1 объявила о стратегическом партнёрстве на 3 года с beCloud по развитию мобильной связи стандарта 4G в Беларуси^[41]. Начиная с 2020 года А1 предоставил часть своей инфраструктуры под базовые станции, а также транспортную сеть, чтобы 4G-сеть в частотном диапазоне 800 МГц стала доступна в сельской местности. Благодаря этому с августа 2020 года по сентябрь 2021 года зона покрытия сети 4G расширилась: в Гомельской области — до 96,4 %^[42], в Могилёвской области — до 81%^[43], в Минской области — до 89% ^[44], в Витебской области — до 75%^[45], в Брестской области до 67%^[46]. В ноябре 2022 компания А1 начала использовать новый частотный диапазон 2600 МГц на около 1,5 тыс. базовых станций LTE инфраструктурного оператора beCloud^[47].

С 1 июля 2018 года на территории Украины начала внедряться 4G-сеть в диапазонах 1800 МГц и 2600 МГц.

3 ноября 2012 года SkyLine-WiMAX начинала тестирование на юге России новой платформы широкополосного беспроводного доступа Canopy PMP 450 4G по технологии LTE pro.

По состоянию на 1 декабря 2016 г. сети 4G/LTE действуют в 83 из 85 регионов России.

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 осуществлён запуск первой в России коммерческой сети WiMAX^[48][49][50]. 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^[51]. Конкурсы были запланированы на 18 и 25 февраля, 4 и 11 марта 2010 года и включали 40 регионов России^[52]. В итоге 39 из 40 лицензий оказались у компании «Связьинвест», причём 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^[53].

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 занято военными)^[54]. 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^[55]. 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^[56][57]. В конце июля 2011 года Консорциум направил в Министерство связи исследования о том, что для развития LTE не стоит использовать отведённые под сети 2G и 3G частоты, а надо воспользоваться цифровым дивидендом — ресурсом в диапазонах 694—915 МГц и диапазоном 2,5—2,7 ГГц^[58]. 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^[59]. Роскомнадзор обещал провести конкурсы на данные частоты в феврале 2012 года, но пока этого не сделал^[60]. 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»^[61].

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^[62].

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^[63]. 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) достались ЗАО «Вайнах Телеком» и «Ингушэлектросвязь» соответственно^[64]. 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»^[65][66][67]. 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^[67].

Коммерческий запуск сетей, основанных на стандарте LTE, впервые в России был осуществлён в Новосибирске в конце декабря 2011 года компанией «Скартел», которая собирается в мае 2012 года полностью перевести все своё оборудование на эту технологию^[68][69]. А вот впервые в Москве (март 2012 года) сеть LTE была запущена принадлежащей предпринимателю Евгению Ройтману группе компаний «Антарес»^[70]. По состоянию на 16 ноября 2012 года LTE работает более чем в 23 крупных городах России.

В конце 2011 года в Томске открылся первый в России завод по производству станций 4G^[71].

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^[72][73], а чуть позже — и Москва^[74].

На конец I квартала 2014 года в России было около 2 млн абонентов четвёртого поколения мобильной связи (LTE), к концу года ожидается 3 млн абонентов LTE, а к 2018 году их количество вырастет до 20 млн^[75].

Технологии четвёртого поколения мобильной связи также могут быть использованы в сферах телемедицины, безопасности и охраны общественного порядка, дистанционного образования, транспортного управления и т. д.^[61]

В 2015 году Мегафон запустил 4G-сеть в 95 городах Урала. По подсчётам оператора, около 10 млн человек получили доступ к сетям 4G^[76].

Список городов сети 4G в России

Предоставление государством спектра частот операторам мобильной и стационарной связи для связи четвёртого поколения в России. Всего сети 4G действуют сейчас в России в 64 регионах.

На 1 мая 2014 г. коммерческую эксплуатацию сети 4G производят: Yota, Freshtel, МегаФон — в 55 регионах, МТС^[77], Сотовик — в 27 регионах, «Билайн» — в 11 регионах. «МОТИВ» — в Уральском регионе.

Радиус действия базовой станции зависит от мощности излучения, а максимальная скорость передачи данных — от радиочастоты и удалённости от базовой станции. Теоретический предел для скорости в 1 Мбит/сек — от 3,2 км (2600 МГц) до 19,7 км (450 МГц)^[78]

Подключены сети быстрого интернета и к небольшим посёлкам и станицам. К примеру, могут пойти Еремизино-Борисовская, Терновская, Вперёд и многие другие хутора, станицы и села (приведённые поселения покрывает Tele2 (4G)).

• Недостаток аппаратов, способных работать с сетями 4G, заключается в их высоком энергопотреблении и немного более крупных габаритах.
• В сетях 4G по состоянию на 2013 год удаётся передавать только данные, для голосового звонка телефоны переключаются в режим 3G (за исключением стран, где экспериментально внедрено решение VoLTE, например, Южной Кореи).
• Наиболее важной проблемой распространения 4G является низкая активность инвесторов. Развитие сетей четвёртого поколения задерживает и то, что сети 3G имеют высокий потенциал интенсивного и экстенсивного развития, применительно к территории РФ к этой проблеме добавляется низкая плотность населения.

• 5G
• 6G

• В. Вишневский, С. Портной, И. Шахнович. Энциклопедия WiMax. Путь 4G. — М.: Техносфера, 2009. — 472 с. — ISBN 978-5-94836-223-6.
• Вишневский В. М., Ляхов А. И., Портной С. Л., Шахнович И. Л. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. М.: Техносфера, 2005

• Глобальный стандарт МСЭ для сотовой связи — «IMT-Advanced»: [1]
• Стандарт LTE-Advanced: http://www.3gpp.org/LTE-Advanced
• Стандарт WiMAX 2: http://www.wimaxforum.org/