Průvodce po mobilních sítích nejen čtvrté generace, aneb co znamená 3G, 4G, HSPA+, LTE či WiMax (1. část)

Během loňského roku bylo na světě dosaženo přes půl miliardy mobilních vysokorychlostních připojení k Internetu. Letos by měl tento trend pokračovat a ve finále skončit na svém dvojnásobku. Vedle přistupujících zařízení zažívají evoluční skoky také samotné mobilní datové sítě. Je to koneckonců logické, vyšší požadavky uživatelů a rostoucí počet zařízení vyžaduje větší a rychlejší sítě. Jenže s evolucí přichází i řada termínů, ve kterých není vždycky úplně jednoduché se vyznat. Co který z nich znamená?

Technické schéma 2G sítě páteřní sť je zobrazena nepřerušovanou čarou, přístupová přerušovanou (BTS = base transceiver station, BSC = Base station controller a MSC = moblile switching center)

Uživatelé chytrých telefonů stále častěji používají různé aplikace a internetové služby za pohybu a objem mobilních datových přenosů v globálním měřítku neustále rychle roste. To v praxi vede (u nás zatím sice moc ne, ale i to se snad časem změní) k zahušťování stávajících mobilních datových sítí a budování nových, rychlejších s větší datovou propustností.
V uplynulém roce se konečně stala mantrou všech velkých operátorů zkratka technologie LTE (Long-Term Evolution).

Dvě historicky první komerční LTE sítě byly spuštěny ještě v roce 2009 a to v severských zemích ve Švédsku a Norsku. Loni se k nim připojilo USA, Polsko, Rakousko, Finsko, Německo, Dánsko, Estonsko, Uzbekistán Hong Kong a o vánocích i Japonsko. Letos by se do komerčního provozu mělo dostat dalších 43 sítí, na rok 2012 je jich plánováno zatím 7. O LTE se někdy hovoří jako o síti 4. generace (4G), což ale není přesné, neboť samotná LTE ještě nevyhovuje požadavkům, které klade Mezinárodní telekomunikační unie na mobilní sítě 4. generace a je jakýmsi hybridem (3,5G).

Plnohodnotnou 4G sítí má být až LTE-Advanced, která disponuje parametry o nichž se nám zatím často nezdá ani u pevného metalicko-optického připojení. To v praxi znamená například přenosovou rychlost nad 1Gb/s u statického zařízení a 100 Mb/s u naopak velmi rychle se pohybujícího mobilního přístroje. Jenže než u nás budou lítat mobilní data vzduchem takovouto rychlostí, to si asi ještě nějaký pátek počkáme. Pojďme se raděj podívat, jak na tom jsou jednotlivé sítě a co znamenají různé magické mobilní zkratky.

Sítě první generace (1G)

Tyto sítě sem vlastně ještě nepatří, protože jednoduše ještě data nepřenášely. Vznikaly v 80. letech a soustředily se na analogový přenos hlasu. Jedná se o následující služby a systémy:

NMT, neboli Nordic Mobile Telephone, byl vůbec první komerční mobilní analogový systém, poprvé se sním setkáváme v Norsku a Švédsku v roce 1979. V ČR mobilní síť na bázi technologie NMT spustila společnost Eurotel 12. září 1991 a běžela až do července 2006.

AMPS, čili Analog Mobile Phone System (Advanced Mobile Phone Systém) je mobilní přenosový systém z Bellových laboratoří, který zahájil provoz na přelomu let 1982/1983.

TACS, neboli Total Access Communication Systém byl mobilní systém vyvinutý pro Velkou Británii, který našel své uplatnění hlavně v Asii a v oblasti Pacifiku.

Internet v mobilu, jedna z možností využití 3G sítě.

Druhá generace (2G)

První sítě se objevují od poloviny 90. let a od předchozí generace se liší tím, že využívají digitálního způsobu přenosu. Jejich problémem z našeho dnešního pohledu je orientace na přenos hlasových služeb. Díky fyzikálním i umělým omezením tak rychlost přenosu dat v těchto sítích nepřesahuje 20 kbit/s.

Do této kategorie spadají technologie , jako u nás dobře známá GSM (Global systém for Mobile communications), CDPD – Cellular Digital Packet Data či TDMA (time division multiple access) a CDMA Code division multiple access. Rozdíl mezi nimi z pohledu uživatele je zanedbatelný, z pohledu technologií pak ten, že GSM a TDMA pracují s přepojováním okruhů (což je dnes již trochu archaismus), kdežto CDMA je plně packetová služba. TDMA má oproti CDMA ještě tu nevýhodu, že využívá jen jeden kmitočet, kdežto CDMA jich paralelně obsluhuje víc.

GSM síť se nakonec ukázala jako komerčně nejživotaschopnější, ke svému provozu využívá časový i kmitočtový multiplex a dělí se do malých buněk, v nichž pracují základnové stanice (BTS), podporující všechny účastníky, přítomné v daném obslužném okruhu. Data se v 2G sítích dají přenášet dost mizerně, slouží k tomu protokoly HSCSD (pro sítě s přepínáním okruhů) s rychlostí 36 až 43 kbit/s a CDPD pro packetové sítě. Jeho rychlost se pohybuje okolo 20 kbit/s .

Přechodová generace (2,5G)

Protože přepínání okruhů je v praxi dobré leda tak pro přenos hlasu, objevily se ještě v plné slávě 2G sítí také přechodové technologie pracující s přepínáním packetů. To umožnilo nějaký alespoň trochu smysluplný přenos dat. První takové se objevují kolem roku 2001 a umožňují vedle hlasové a textové komunikace také přenášet data rychlostí od 115 do 384 kbit/s (dnes se ale již pohybují daleko za hranicí 60 kbit/s). V praxi se s nimi setkáme v technologiích GPRS (General Packet Radio Service) s 128 kbit/s a EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) s 256 kbit/s.

První je vlastně jen rozšířením GSM tak, aby bylo použitelné pro trvalé připojení k Internetu, uživateli umožní použít najednou až osm kanálů GSM. Z dnešního pohledu je propustnost GPRS, které ještě ani zdaleka není broadbandem, dost zoufalá. O něco lépe je na tom EDGE, což je de facto vylepšené GPRS. Hlavní rozdíl spočívá v lepší modulaci, díky níž lze dosahovat trojnásobku rychlosti samotného GPRS.

Třetí generace (3G) – zaklínadlo českých operátorů

Tyto sítě představují vlastně první opravdový mobilní broadband. Bohužel pro přehlednost se nejedná o jedinou technologii, ale patří sem celá plejáda různých standardů. Asi nejznámější je UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), což je 3G systém standardů mobilních telefonů, který je součástí IMT2000 (sady přijatých doporučení ITU-T pro mobilní sítě 3G). Jeho hlavním přínosem je podpora kvality služeb (QoS), což je diferenciace služeb sítě s ohledem na různé požadavky jednotlivých typů provozu. Zajímavostí je, že 2000 v názvu neznamenají rok spuštění, ale spíše původní přenosovou rychlost (2 Mb/s) a kmitočtové spektrum (2000 MHz).

3G technologie lze rozdělit na ty, které pracují na bázi kmitočtového duplexu (FDD) a na ty, které využívají duplex časový (TDD), kam patří vlastně jen již napůl zapomenutá TD-SCDMA. Do první kategorie naopak spadají jména, která slýcháme častěji, nalezneme zde W-CDMA (přenosová kapacita 2,4 Mbit/s) a CDMA2000, která se pak dále dělí na tři samostatné varianty, z nichž se nejčastěji se setkáme s EV-DO (data optimised) a následné revize těchto variant. Možná vás překvapí, že původní přenosová rychlost CDMA2000 je pouhých 2,4 Mb/s.

Blízkými příbuznými UMTS jsou mladší standardy 3G sítí HSDPA (Evolved High-Speed Downlink Packet Access) a výrazně rychlejší HSUPA (Evolved High-Speed Uplink Packet Access). Výhodou HSDPA oproti UMTS je, že podstatně zvyšuje přenosovou rychlost pro downlink, díky čemuž se z původní přenosové rychlosti UMTS dostává více než na její dvojnásobek. V praxi je ale u všech HSPA sítí finální rychlost závislá na počtu uživatelů, kteří službu na dané buňce zrovna využívají. To je také důvod, proč v aglomeracích s velkým počtem obyvatel nedosáhnete operátorem udávaných rychlostí ani omylem. Další výhodou oproti UMTS jsou výrazně menší latence (totéž platí pro HSDPA vs. HSUPA).

Pokud symetricky navýšíme download i upload dat, dostaneme již skutečnou 3,5G síť HSPA, což je také pomyslný evoluční vrchol 3G sítí. Názvy typu HSPA+, jsou pak spíše marketingovými hříčkami, které mají za úkol uživatele upozornit na to, že se operátor dostal zase o pár Mb/s dále. Příště se k 3G sítím ještě vrátíme, podíváme se na ně trochu techničtěji a porovnáme čím se od nich budou lišit ty 4G.

Zbývající díly:

Průvodce po mobilních sítích nejen čtvrté generace, aneb co znamená 3G, 4G, HSPA+, LTE či WiMax (2. část)

Průvodce po mobilních sítích nejen čtvrté generace, aneb co znamená 3G, 4G, HSPA+, LTE či WiMax (dokončení)