Интернет и в том или ином виде появился гораздо раньше, чем многие думают — 29 октября 1969 года был первый запуск «папы» современного интернета — сети ARPANET. Однако обычные пользователи смогли воспользоваться Всемирной паутиной лишь спустя 20 лет — в 1991 году, и с тех пор интернет только набирает популярность. И, разумеется, в тех же 90ых многие хотели пользоваться интернетом не только дома или на работе, но и, к примеру, на улице. Так родился GPRS (наверное, некоторые вспомнят так же и CSD, однако тот просуществовал недолго, и по своей сути являлся чистой воды модемным интернетом: на одном конце канала устанавливался GSM-модем, а на другом – терминал проводной телефонной связи. Так что по сути к мобильному интернету он имеет небольшое отношение, и полноценный мобильный интернет начался именно с GPRS).
GPRS (2.5G)
GPRS является надстройкой над GSM, осуществляющей пакетную передачу данных. Принцип работы прост — если есть свободные голосовые каналы, то через них можно передавать и данные. Обычно приоритет отдается голосовому трафику, поэтому скорость передачи данных (и вообще возможность передачи) напрямую зависят от того, как сильно нагружена звонками базовая станции. Однако, если БС была относительно свободна и телефон мог использовать сразу несколько каналов для передачи данных, то теоретический предел скорости составляет 171.2 кбит/с — отличная цифра для начала нулевых! Но обычно скорость была на порядок (а то и два) ниже, и причина была не только в занятости каналов для голосовой связи — абоненту, подключенному к GPRS, предоставляется виртуальный канал, который на время передачи пакета становится реальным, а в остальное время используется для передачи пакетов других пользователей. Поскольку один канал могут использовать несколько абонентов, возможно возникновение очереди на передачу пакетов, и, как следствие, задержка связи (обычно пинг составляет порядка 500-700 мс).
Принцип работы GPRS в интернете ничем не отличается от привычного нам — при установлении сессии каждому устройству привязывается IP-адрес, данные при передаче разбиваются на пакеты. Так что в итоге протокол GPRS прозрачен для TCP/IP, и без проблем работает с любыми протоколами транспортного и прикладного уровня (TCP, UDP, HTTP, HTTPS, SSL, POP3, XMPP и др.)
В современном мире GPRS уже больше почти нигде не используется — его заменил EDGE.
EDGE (2.75G)
Как и GPRS, EDGE так же является надстройкой над GSM-сетью. Основной упор был сделан на снижение числа ошибок при передаче данных. Для этого использовалась технология Incremental Redundancy (нарастающая избыточность), в соответствии с которой вместо повторной отсылки повреждённых пакетов отсылается дополнительная избыточная информация, которая накапливается в программном обеспечении приёмника. Это увеличивает возможность правильного декодирования повреждённого пакета, и уменьшает время приёма. В итоге максимальная скорость могла составлять аж 474 кбит/с (в 2003 году это было много), но на деле она была не выше 100-150 кбит/с с пингом около половины секунды. Такой скорости хватает для загрузки текста и небольших изображений, но о потоковой передаче хотя бы музыки речи не идет вообще.
3G
После EDGE произошло некоторое разделение — в Америке в основном стали использовать CDMA, а в Европе - WCDMA. Различие между CDMA и WCDMA достаточно простое — в случае с WCDMA каждой паре приемник-передатчик выделяется все время и лишь часть спектра частот. В случае с CDMA каждой паре выделяется весь спектр частот, но часть времени, и нужный сигнал определяется по числовому коду в нем.
CDMA (3G и 3.5G)
Из вышесказанного можно выделить несколько плюсов CDMA:
- Гибкое распределение ресурсов. При кодовом разделении нет строгого ограничения на число каналов. С увеличением числа абонентов постепенно возрастает вероятность ошибок декодирования, что ведёт к снижению качества канала, но не к отказу обслуживания.
- Более высокая защищённость каналов. Выделить нужный канал без знания его кода весьма трудно. Вся полоса частот равномерно заполнена шумоподобным сигналом.
- Телефоны CDMA имеют меньшую пиковую мощность излучения и потому позволяют более экономно расходовать батарею.
Самым первым стандартом был CDMA2000 1X, который позволял передавать данные на скорости до 153 кбит/с. Однако он прожил недолго, уступив технологии EV-DO, которая развивается до сих пор. Эта технология, как и GSM, использовала временное разделение (то есть в какой-то момент времени передаётся информация одного абонента) — это позволяет выделить полную мощность передатчика для одного абонента, поэтому в прямом канале нет источников интерференции внутри соты, присутствуют помехи только от соседних сот. Однако если в сети было много абонентов, то это значительно увеличивало пинг — приходилось ждать, пока в куче других пакетов придет тот, который нужен именно вам. Всего на данный момент существует 3 ревизии (через / указаны скорости загрузки и отдачи):
- Rel.0 (CDMA2000 1x EV-DO rel.0) — 2,4 / 0,153 Мбит/с.
- Rev.A (CDMA2000 1x EV-DO rev.A) — 3,1 / 1,8 Мбит/с.
- Rev.B (CDMA2000 1x EV-DO rev.B) — 73,5 / 27 Мбит/с (15 каналов несущей частоты, до 4,9 / 1,8 Мбит/с при одной. Большинство телефонов или модемов, выпускаемых в 2010 году, поддерживают 2 или 3 несущие частоты).
WCDMA (3G)
В Европе тем временем развивался WCDMA, который являлся надстройкой над более продвинутой в сравнении с GSM UMTS. Он имел две широкие полосы с частотой по 5 МГц, и в рамках одной пары приемник-передатчик часть этих частот использовалась только этой парой. Это позволило снизить пинг до 50-70 мс, но и скорость при этом была не более 2 Мбит/с (а на больших расстояниях и вовсе до 384 Кбит/с). Страницы в интернете в итоге грузились достаточно быстро, и можно было даже слушать потоковую музыку, но до передачи потокового видео еще было далеко (да и не было тогда таких сервисов).
HSPA и HSPA+ (3.5G и 3.75G)
HSPA является развитием WCDMA, был модифицирован протокол, который позволяет обеспечить работу в сети большего числа пользователей. В итоге скорость могла составлять до 28 Мбит/с при закачке и до 11.5 Мбит/с при отдаче с пингом не более 30 мс. На деле скорости, конечно, раз в 5 ниже, но все же это позволяет смотреть HD-видео онлайн, а страницы грузятся достаточно быстро.
HSPA+ отличался от HSPA тем, что появилась поддержка технологии MIMO (то есть можно использовать два 5 МГц канала одновременно) — это позволило увеличить скорость аж до 42.2 Мбит/с. Однако увы — за использование сразу двух частот приходилось платить усиленным нагревом и более быстрой разрядкой телефона.
LTE (4G)
Еще до выхода LTE, в конце нулевых, появился мобильный WiMAX. Технология отлично подходила для передачи данных на больших скоростях на достаточно большие расстояния (структура сети аналогична таковой у GSM), однако из-за дефицита частот, неподготовленности законодательной базы и самое главное — дороговизны в сравнении с 3G, эта технология так и не получила развития.
Но вернемся к LTE. К концу нулевых уже было понятно, что дальше развивать CDMA/HSPA смысла нет — это как минимум уже выходит за рамки допустимого излучения, а также увеличение скорости существенно снижает автономность устройств. Поэтому был разработан абсолютно новый стандарт OFDMA взамен устаревающим CDMA/WCDMA. При использовании технологии OFDMA весь имеющийся спектр разбивается на поднесущие, ортогональные друг другу. В зависимости от используемой ширины канала общее количество поднесущих может быть 72, 180, 300, 600, 900 или 1200. Каждая из поднесущих может иметь свой вид модуляции. Могут использоваться следующие модуляции: QPSK, 16QAM, 64QAM. Множественный доступ организуется за счет того, что одна часть поднесущих выделяется одному пользователю, другая часть — второму пользователю, и т.д. Основной плюс технологии OFDMA заключается в том, что она позволяет бороться при приеме сигнала с негативными эффектами, вызванными многолучевым распространением. В итоге это позволило превысить порог в 100 Мбит/с на закачку при пинге не выше 20 мс — это уже сравнимо с домашним Wi-Fi. С учетом того, LTE поддерживает технологию MIMO 8x8, в теории скорость может достигать 1200 Мбит/с (LTE cat.8).
Однако не обошлось и без минусов — во-первых, в основном используются частоты свыше 2 ГГц, и поэтому дальность сигнала не превышает пары километров, при этом на удалении скорость значительно падает. Второе — для выполнения необходимых быстрых преобразований Фурье (FFT) требуется достаточно большая вычислительная мощность, поэтому на слабых устройствах LTE может «есть» батарейку еще сильнее, чем 3G. И третий минус, сходящий на нет — это отсутствие возможности передачи голоса через LTE: если при работе в LTE поступал звонок, то телефон подключался к сети 2G/3G и его можно было принять (технология CSFB), а после отбоя телефон опять же подключался в LTE. Технология работала не очень хорошо — как минимум это приводило к задержке в несколько секунд у звонящего, как максимум — на устройство, работающее в сети LTE, вообще нельзя было дозвониться. Но сейчас все активнее используется технология VoLTE, которая позволяет передавать голос в отличном качестве через сеть LTE.
В итоге LTE для обычного пользователя мало отличается от Wi-Fi — страницы грузятся без задержки, равно как и музыка. Можно смотреть потоковое 1080p60, а время закачки приложений не превышает нескольких минут. Однако нет предела совершенству — уже представлен стандарт 5G, который должен привнести в массы скорости в несколько гигабит в секунду.
