Что такое мобильная связь и как она работает
Мобильная связь — это система беспроводной передачи голоса, текстовых сообщений, видео и других данных между абонентами, которые могут перемещаться в пространстве. В отличие от проводного телефона или радиосвязи, здесь не требуется постоянного проводного подключения к сети: сигнал передается по радиоканалам через систему стационарных базовых станций, объединенных в сотовую структуру.
— Многие считают, что вышки сотовой связи передают данные наших смартфонов другим людям, однако это совсем не так. Сами станции являются лишь ретрансляторами — мобильное устройство посылает электромагнитный сигнал к самой близкой из них. Та, в свою очередь, переправляет эти данные либо на соседние вышки, либо через спутник в космосе, чтобы в конечном счете они попал к тому абоненту, для которого предназначен. Скорость, с которой идет обмен информацией, напрямую связана с частотой сигнала: чем частота выше, тем больше данных удается передать за единицу времени, но тем короче дистанция уверенного приема, — делится доцент кафедры «Информационные технологии и автоматизированные системы» ПНИПУ, кандидат технических наук Даниил Курушин.
Как продолжает эксперт, технологии мобильной коммуникации постоянно совершенствуются. Каждое следующее поколение, которое обозначается буквой G (от английского generation) и цифрой (от 0 до 5), приносит более высокую скорость и расширенные возможности. Переход на новое поколение достигается за счет подъема несущей частоты — по сути, переход на «высокоскоростную полосу» радиовещания. Чем выше диапазон, тем больше данных в секунду можно передать. Однако у этого есть обратная сторона: высокочастотные сигналы заметно слабее проникают сквозь стены зданий, особенно металлические и бетонные. Компенсировать этот недостаток можно только увеличением количества передающих станций и сокращением расстояний между ними.
— Особый интерес сегодня вызывают два последних поколения — четвертое и пятое, поскольку именно они определяют качество мобильного интернета и перспективы цифровых сервисов. Чтобы понять, чем 5G превосходит 4G, а в чем уступает, достаточно сравнить их по ключевым параметрам, — поясняет ученый ПНИПУ.
Скорость передачи данных
Как отмечает Даниил Курушин, чтобы оценить, насколько 5G быстрее 4G в повседневном использовании, стоит сравнить не обещанные гигабиты в секунду, а реальные показатели, которые пользователь получает на улице, внутри помещений и в транспорте.
По словам эксперта, у пятого поколения есть важная особенность: чем выше частота, тем быстрее передаются данные, но тем хуже сигнал проходит через препятствия. Самый скоростной вариант, который называют mmWave, легко блокируют обычные стены и даже некоторые виды стекол, тогда как низкочастотный 5G ведет себя примерно как 4G — он медленнее, зато уверенно проникает внутрь зданий. В движении 4G остается стабильным до 350 км/ч, а 5G — до 500 км/ч, но на практике в автомобиле или поезде разница в скоростях почти не ощущается, потому что телефон слишком часто переключается между вышками. Кроме того, возможны сбои при переходе с одного диапазона на другой: устройство постоянно ищет лучший сигнал и прыгает, например, с высокочастотного mmWave на более низкие частоты. В условиях нестабильного приема такие переключения происходят непрерывно, что создает так называемые накладные расходы — задержки и дополнительную нагрузку, из-за чего батарея садится быстрее обычного.
— Четвертое и пятое поколения мобильной связи обещают впечатляющие теоретические максимумы — 1 Гбит/с и 20 Гбит/с соответственно. На улице реальная скорость 4G обычно составляет 10-100 Мбит/с, что вполне достаточно для просмотра 4K-видео и выполнения большинства повседневных задач. 5G предлагает от 50-150 Мбит/с до 1-3 Гбит/с. На открытой улице, где как раз работают подобные волны, 5G быстрее 4G в 10-20 раз. Однако в обычных городских условиях это преимущество сокращается до 2-3 раз. При слабом сигнале скорости обоих поколений становятся одинаковыми, — продолжает ученый ПНИПУ.
Почему для игр и видеозвонков важнее время отклика, а не скорость
Как продолжает ученый ПНИПУ Даниил Курушин, высокая скорость — не единственное, что отличает новое поколение связи. Не менее важным параметром является пинг (ping), то есть время отклика. Именно он определяет, насколько быстро устройство реагирует на команды.
— Пинг представляет собой время, за которое сигнал идет от вашего устройства до сервера и обратно. У 4G хороший пинг составляет 20-50 мс — для большинства повседневных задач этого достаточно. Однако для динамичных онлайн-игр, видеозвонков, удаленного управления техникой, телемедицины и промышленной автоматизации такие значения критичны. 5G с показателем 1-5 мс дает здесь явное преимущество. Чем ниже пинг, тем быстрее отклик системы и тем комфортнее работа в реальном времени. Пятое поколение лучше в этом отношении, но исследования 2025 года показывают, что в реальных сетях преимущество не всегда заметно из-за недостаточной плотности вышек или ограничений самих телефонов, — объясняет эксперт.
Диапазон частот и покрытие
Еще одно принципиальное отличие между поколениями кроется в используемых частотах радиосигнала — количестве колебаний волны в секунду. Чем показатель выше, тем быстрее скорость, но тем легче сигнал затухает в пространстве и хуже огибает препятствия — стены, деревья, здания. Сети четвертого поколения работают в диапазоне 0,7-2,5 ГГц. Такие частоты хорошо обходят преграды, обеспечивая дальнюю связь, но не могут удерживать высокую скорость — так работает физика процесса.
— У 5G три диапазона, и каждый решает свою задачу. Первый — низкий, до 1 ГГц, который дает такую же дальнюю связь, как у 4G, но скорость здесь незначительно выше. Он подходит для слабо заселенных, удаленных или горных районов, где трудно строить много вышек. Средний (1-6 ГГц) — золотая середина между скоростью и дальностью: в России для пятого поколения операторам разрешили работать на частоте около 4,9 ГГц. И высокий (миллиметровые волны, 24-300 ГГц) предлагает огромную скорость, но требует прямой видимости и годится для мест с высокой плотностью пользователей — городские районы, стадионы, — объясняет эксперт.
По словам Даниила Курушина, высокие частоты — это и плюс, и минус. С одной стороны, они обеспечивают высокую скорость передачи данных и возможность обслуживания большого количества устройств. С другой — они имеют ограниченную дальность и плохо проходят сквозь препятствия.
— Чем выше частота, тем меньше радиус действия одной станции, а значит, для сплошного сигнала требуется больше вышек. В цифрах это выглядит так: базовая станция 4G покрывает 2-5 километров, а станция 5G в высокочастотном диапазоне — всего 200-500 метров. Такое распределение вышек обусловлено физическими свойствами высокочастотных волн, которые быстро затухают и требуют более плотной сетки базовых станций для поддержания стабильного сигнала, — подчеркивает ученый Пермского Политеха.
Новое поколение сети — новые технологии
Как продолжает Даниил Курушин, решить проблему малой дальности позволили мини-вышки — Small Cells — компактные базовые станции, размещаемые на столбах, стенах домов или внутри торговых центров. Если базовая станция 4G покрывает расстояние до 5 километров, то станция 5G в высокочастотном диапазоне — всего 200-500 метров. Поэтому в прошлом поколении большие вышки сами обеспечивали связь на километры, и мини-вышки требовались лишь в местах скопления людей (стадионы, вокзалы). В 5G из-за высоких частот сигнал не пробивается через застройку, поэтому сеть строится из множества маленьких ячеек — мини-вышки не заменяют большие станции полностью, а дополняют их, создавая плотное покрытие в городах. Каждая такая ячейка работает «на свою комнату», подобно точкам доступа Wi-Fi.
— Стоит сказать, что не только мини-вышки, но и две новые технологии обеспечивают сети пятого поколения стабильную работу. Первая — Massive MIMO (много антенн). Если в 4G на базовой станции устанавливали 2-4 антенны, то в 5G их число достигает десятков, а иногда 64-128. Это как переход от одной кассы к пятидесяти — станция может одновременно «разговаривать» с множеством телефонов без очередей, что повышает производительность сети. Вторая — Beamforming (умная фокусировка). В отличие от вышек четвертого поколения, которые излучают сигнал во все стороны, 5G работает как прожектор или луч: система отслеживает местоположение телефона и направляет сигнал точно на него. Это экономит энергию, увеличивает скорость и снижает помехи для соседних устройств, — рассказывает ученый.
Как отмечает эксперт, сеть 4G способна поддерживать до 100 000 устройств на квадратный километр, в то время как 5G — до миллиона. Концепция «умных городов» предполагает интеграцию различных технологий для повышения качества жизни горожан: датчики парковки, счетчики воды, умные фонари, камеры, колонки на каждом шагу. Именно благодаря мини-вышкам, массовому MIMO и направленной фокусировке сигнала все три технологии вместе позволяют 5G работать на высоких частотах, обеспечивая гигабитные скорости и обслуживание до миллиона устройств на квадратный километр без потери стабильности.
Применение 5G
С новым поколением сетей, их скоростью и сверхнизкой задержкой, связывают дистанционное управление автомобилями, удаленные хирургические операции, полностью автоматизированные заводы и облачные игры. Однако, как поясняет эксперт, реальность сложнее.
— Полностью автономным автомобилям интернет не нужен, но современные автопилоты используют удаленное управление и внешние вычислители — здесь требуется пинг около 1 мс, например, чтобы успеть затормозить. Дистанционная хирургия технически возможна, но спорна — массовая подготовка хирургов надежнее, особенно при катастрофах, когда любая связь может отсутствовать. Заводы-роботы, так называемая Индустрия 4.0, получат беспроводную связь без задержек, что позволят гибко перестраивать производство — 5G дает эту возможность там, где оптоволокно проложить невозможно или дорого, — отмечает ученый ПНИПУ.
Как продолжает Даниил Курушин, практически значимый пример — «электронная сцепка» грузовиков: первый задает скорость и направление, остальные едут с минимальной дистанцией, синхронно ускоряясь и тормозя. Это экономит топливо и разгружает трассы. Специальный стандарт 5G NR-V2X (New Radio Vehicle-to-Everything) обеспечивает прямую связь «машина-машина» с небольшой задержкой — то, что 4G дать не могла.
Заметит ли обычный человек разницу
С одной стороны, по словам ученого, специализированные программы для измерения производительности сети показывают заметные улучшения, с другой — в реальной жизни все не так однозначно. Обычные пользователи могут не ощутить существенной разницы в своих повседневных делах — при просмотре соцсетей, видеохостингов, мессенджеров и при оплате улыбкой.
— Тем не менее, есть ситуации, когда преимущества 5G становятся очевидными. Например, объем тяжелых файлов — обновлений программного обеспечения, игр или операционных систем — достигает десятков гигабайт. На их скачивание обычно уходят часы, однако новое поколение сети справляется с этим за минуты. Также разница будет заметна при игре в шутеры с телефона или использовании VR-очков, где требуется высокая скорость и стабильность соединения. Кроме того, 5G может оказаться более надежным выбором для тех, кто находится в центре огромной толпы — на концерте или стадионе, где сеть 4G часто перегружена и работает нестабильно, — рассказывает ученый ПНИПУ.
Где в России уже применяется 5G
В настоящее время развитие сетей пятого поколения является одним из приоритетных направлений для многих стран мира. Россия также ведет работы по внедрению 5G на территории всей страны.
— В некоторых городах уже проводятся пилотные проекты. Среди них можно выделить Москву — улицы Никольская, Кузнецкий мост, Парк Горького, ВДНХ, «Москва-Сити», «Сколково» и «Зарядье». В Санкт-Петербурге — Дворцовая площадь, «Газпром Арена», «Экспофорум» и Кронштадт. В Казани — КамАЗ и Иннополис. А также в таких городах, как Екатеринбург, Томск и Новосибирск, — делится ученый.
Естественно, как заключает ученый Пермского Политеха Даниил Курушин, на данный момент ведутся активные разработки в области телекоммуникаций, и можно сказать, что физический предел пока не достигнут — по крайней мере, в ближайшие два десятилетия нас ждут новые прорывы. Однако для рядового пользователя главное уже сегодня: 5G дает ощутимый выигрыш в скорости при скачивании больших файлов, в играх и в местах скопления людей, открывая новые возможности для комфортного использования мобильного интернета.