3G: Технология мобильной связи третьего поколения

3G (третье поколение) — это стандарт мобильной телекоммуникации третьего поколения, разработанный консорциумом 3GPP и стандартизированный в соответствии с требованиями IMT-2000 Международного союза электросвязи, предназначенный для предоставления высокоскоростного доступа в интернет с мобильных устройств и видеозвонков. 3G представляет собой значительный скачок в производительности по сравнению с 2G (GSM/GPRS), обеспечивая скорости передачи данных на несколько порядков выше.​

Историческое развитие

История создания:​

• 1992 год — начало разработки стандартов третьего поколения организацией по стандартизации IMT-2000​
• 1999 год — организации ряда стран (Япония, Китай, США, Корея и европейские страны) договорились о создании общего стандарта UMTS. Принят стандарт 3GPP Release 99 (номер соответствует году принятия)​
• 1 декабря 2001 года — первая сеть UMTS запущена в коммерческую эксплуатацию в Норвегии​
• 2002 год — внедрение 3G в России​
• 2006 год — внедрение технологии HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), ускорившей 3G до 3.5G стандарта​
• 2010 год — количество абонентов 3G превысило 540 миллионов человек по всему миру​

Основные стандарты и варианты 3G

Пять стандартов семейства IMT-2000:​

1. UMTS/WCDMA — наиболее распространён в Европе, России и большинстве стран мира​
2. CDMA2000 (IMT-MC) — распространён на Североамериканском континенте и в странах Азиатско-Тихоокеанского региона. В России был доступен до 2016 года на CDMA450​
3. TD-CDMA/TD-SCDMA — собственный стандарт Китая​
4. DECT — цифровой расширенный бесплроводной телефонный стандарт​
5. UWC-136 — расширение предыдущего стандарта​

Наиболее распространённые: UMTS/WCDMA и CDMA2000/IMT-MC.​

Основная технология: UMTS (Universal Mobile Telecommunications System)

Характеристики UMTS:​

• Базовая технология: W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access — полосовой множественный доступ с кодовым разделением)​
• Частотные диапазоны:
  • 1885–2025 МГц — восходящий канал (передача от абонента к базовой станции)​
  • 2110–2200 МГц — нисходящий канал (передача от БС к абоненту)​
  • В России также используются диапазоны 900 МГц и 2100 МГц​
• Ширина канала: 5 МГц для FDD, 10 МГц для TDD​
• Дуплексные режимы: FDD (Frequency Division Duplex) и TDD (Time Division Duplex)​

Скорости передачи данных

Спецификации ITU для 3G:​

Согласно регламентам ITU, сети 3G должны поддерживать следующие скорости:

• Для абонентов в состоянии статики: до 2048 кбит/с (2 Мбит/с)​
• Для пользователей с низкой мобильностью (до 3 км/ч): 384 кбит/с​
• Для абонентов с высокой мобильностью (до 120 км/ч): 144 кбит/с (минимум)​

Реальные скорости UMTS:​

• Базовая UMTS R99: максимум 384 кбит/с для мобильных станций​
• HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access): 7,2 Мбит/с в нисходящем канале (3.5G)​
• HSUPA (High-Speed Uplink Packet Access): 5,7 Мбит/с в восходящем канале​
• HSPA+ (Evolved HSPA): до 28 Мбит/с (восходящий) и до 42 Мбит/с (нисходящий) теоретически​
• Реально достигнутые скорости с двумя несущими: до 84 Мбит/с (2011 год)​

Сравнение со скоростями 2G:​

• GSM/CSD: 9,6 кбит/с
• GPRS: до 171 кбит/с
• EDGE (2.75G): до 384 кбит/с
• 3G UMTS: 2–2048 кбит/с в зависимости от условий​
• 3G HSDPA: 7,2 Мбит/с​

Это означает улучшение в 20–200 раз по сравнению с 2G.​

Дальность и радиус действия

Характеристики покрытия:​

• Типичный радиус действия: от 1 до 5 километров​
• Теоретический максимум: до нескольких десятков километров на открытой местности​
• Факторы влияния:
  • Мощность передатчика (обычно ниже, чем у GSM)​
  • Частота (более высокие частоты = меньший радиус)​
  • Местность (городские районы с высотными зданиями снижают зону приёма)​

Динамичность сети 3G:​

Дальность покрытия 3G меняется в зависимости от загрузки сети. Теоретически может варьироваться от 50 метров до десятков километров, поэтому количество базовых станций критично для качества сети.​

Особенности 3G CDMA

Преимущество «мягкого хэндовера»:​

В сетях с кодовым разделением каналов (CDMA), включая 3G, есть важное преимущество — «мягкий хэндовер»:

• По мере удаления от одной базовой станции клиент «подхватывается» другой​
• Первая станция постепенно передаёт всё меньше информации, вторая — всё больше​
• Клиент не покидает зону обслуживания, пока переключается между станциями​
• При хорошем покрытии вероятность обрыва полностью исключается​

Это отличает 3G от 2G (GSM), где переключение «жёсткое» и может приводить к задержкам и обрывам.​

Преимущества 3G

Основные достоинства технологии:​

1. Значительное повышение скорости передачи данных — в 10–50 раз выше, чем 2G. Позволяет просматривать веб-страницы, видеозвонки и видеоконференции.​
2. Высокое качество передачи голоса — применяются методы кодирования и коррекции ошибок, предотвращающие потерю пакетов. Технология CDMA обеспечивает чистый звук без помех.​
3. Глобальный роуминг — возможность использовать одно устройство в разных странах благодаря единому стандарту.​
4. Видеозвонки и видеоконференции — высокая скорость позволяет передавать видео.​
5. Мобильное телевидение — прямая трансляция телевизионного сигнала на мобильный телефон.​
6. Множество мультимедийных услуг — интернет, MMS, игры по сети и другие приложения.​
7. Более эффективное использование спектра — пакетная коммутация, использование более широкого диапазона частот.​
8. «Мягкий хэндовер» — плавное переключение между базовыми станциями без обрывов соединения.​
9. Лучшая защита от помех — алгоритмы кодирования и коррекции ошибок.​
10. Сервисы на основе местоположения — возможность отправки геолокационной информации и определения местоположения пользователя.​

Недостатки 3G

Основные ограничения технологии:​

1. Требует более плотного размещения базовых станций — чем выше частота, тем больше БС приходится устанавливать в заданной области. Это существенно увеличивает затраты на строительство и аренду.​
2. Ограниченный радиус действия — от 1 до 5 км, что намного меньше, чем у 2G. Связано с использованием более высоких частот.​
3. Нестабильное качество связи в движении — скорость может снижаться при высокой мобильности. При движении со скоростью 120 км/ч минимальная скорость составляет всего 144 кбит/с.​
4. Проблемы с радиоинтерфейсом — радиосигнал сильно подвержен воздействию помех.​
5. Засорение пилот-сигналами — при наличии нескольких БС с сильным сигналом может возникать наложение сигналов, снижающее отношение сигнал/шум.​
6. Зависимость от загрузки сети — качество и скорость зависят от количества пользователей, использующих сеть.​
7. Необходимость большей полосы частот — для нормальной работы требуется полоса 5 МГц, в то время как 2G использует более узкие каналы.​
8. Меньшая проникающая способность волн — волны на 2100 МГц менее проникающие, чем волны на 900 МГц, используемые в GSM.​
9. Военные ограничения — в некоторых регионах (например, вблизи военных баз) использование высокочастотного диапазона запрещено.​
10. Более высокие тарифы — использование 3G стоит дороже, чем 2G.​

Применение 3G

Основные области использования:​

• Интернет на мобильных устройствах — веб-браузинг, социальные сети, электронная почта
• Видеозвонки и видеоконференции — преимущество перед 2G​
• Мобильное телевидение — трансляция ТВ-контента на смартфон
• Загрузка и скачивание файлов — благодаря высокой скорости
• M2M коммуникация — удаленный мониторинг и управление устройствами
• Мобильная коммерция — мобильные платежи, покупки​
• Сервисы на основе местоположения — определение места пользователя​
• Сетевые игры — многопользовательские онлайн-игры
• Облачные приложения — синхронизация данных в реальном времени

Развёртывание в России

Текущее состояние:​

В России право построения сетей 3G получили три оператора:

• МТС — начало в 2007 году
• Вымпелком (Билайн) — начало в 2007 году
• МегаФон — начало в 2007 году

Эти провайдеры поддерживают сети 3G практически во всех крупных городах РФ, а также в ряде регионов (Кировская, Курганская, Тюменская, Свердловская области, Пермский край, Республика Удмуртия и другие).​

Примечание: В России также используется UMTS900 (диапазон 900 МГц) с более высокой проникающей способностью, но более низкой скоростью (редко свыше 10 Мбит/с).​

Сравнение поколений мобильной связи

Параметр	2G (GSM)	2.5G (GPRS/EDGE)	3G (UMTS/CDMA2000)	3.5G (HSDPA)	4G (LTE)
Скорость	9,6 кбит/с	171 кбит/с	384 кбит/с–2 Мбит/с	7,2 Мбит/с	150 Мбит/с+
Дальность	35 км	35 км	1–5 км	1–5 км	<2 км
Видеозвонки	Нет	Нет	Да	Да	Да
Видеоконференции	Нет	Нет	Да	Да	Да
Требуемое количество БС	Минимум	Минимум	Среднее	Среднее	Максимум
Модуляция	GFSK	GFSK	W-CDMA	W-CDMA	OFDM

Текущее состояние и будущее 3G

Развитие и перспективы:​

3G активно развивается с постоянным совершенствованием технологий (HSDPA → HSUPA → HSPA+ → DC-HSPA), обеспечивая скорости, приближающиеся к 4G LTE. Однако постепенно 3G вытесняется 4G/LTE, которые предоставляют значительно выше скорости и лучшее качество обслуживания.

3G представляет собой исторический скачок в эволюции мобильных сетей, который:

• Революционизировал мобильный интернет, позволив высокоскоростную передачу данных
• Открыл возможность видеозвонков и видеоконференций
• Обеспечил поддержку мультимедийных приложений на мобильных устройствах
• Положил основу для развития современной мобильной экосистемы

Хотя 3G постепенно вытесняется более быстрыми 4G/LTE и 5G стандартами, она остаётся важной технологией в местах, где не развёрнуты сети 4G, и обеспечивает базовый мобильный интернет для миллионов пользователей по всему миру.