Czym jest 4G i jak działają sieci 4G? | Com4

Zastąpiła ona mieszaną architekturę 3G, łączącą transmisję głosu i danych, pojedynczą siecią opartą w całości na protokole IP, zaprojektowaną z myślą o szybkości, przepustowości i niskim opóźnieniu, i ponad dekadę po uruchomieniu pozostaje siecią, w której faktycznie działa większość urządzeń IoT w krajach skandynawskich. W niniejszym przewodniku wyjaśniono, co technicznie oznacza standard 4G, jak działa architektura sieciowa, na której się opiera, czym różni się od sieci 3G i 5G oraz w jaki sposób prawdziwi klienci Com4 wykorzystują obecnie łączność 4G w swoich rozwiązaniach produkcyjnych.

Najważniejsze wnioski:

• 4G to standard sieci komórkowej typu „all-IP”, oparty na rdzeniu Evolved Packet Core (EPC) i stacjach bazowych eNodeB, który zastępuje oddzielne ścieżki głosowe i danych w sieci 3G jedną architekturą opartą na protokole IP.
• LTE to technologia radiowa zapewniająca największą wydajność 4G w rzeczywistych warunkach; prawdziwe 4G, zgodnie z definicją ITU, wymaga LTE Advanced, choć w praktyce terminy „4G” i „LTE” są używane zamiennie.
• OFDMA, SC-FDMA i MIMO to technologie, które zapewniają 4G przewagę w zakresie prędkości i przepustowości w porównaniu z 3G.
• VoLTE przesyła połączenia głosowe jako dane w tej samej sieci 4G, zamiast przełączać się na starsze połączenie z komutacją obwodów.
• Technologia 4G nie zostanie w najbliższym czasie wyparta. Pozostaje ona najpowszechniej dostępnym i najbardziej opłacalnym standardem sieciowym dla zdecydowanej większości wdrożeń IoT, a także stanowi podstawę wariantów LTE-M i NB-IoT, stworzonych specjalnie z myślą o urządzeniach IoT o niskim poborze mocy.
• Com4 zapewnia łączność SIM w sieciach 4G, LTE-M i NB-IoT, automatycznie przełączając się między ponad 750 sieciami w ponad 190 krajach, dzięki czemu urządzenia pozostają połączone z tą siecią 4G, która najlepiej odpowiada ich rzeczywistemu sposobowi użytkowania

Co właściwie oznacza 4G?

„4G” odnosi się do czwartej generacji standardów sieci komórkowych, następującej po 2G (która wprowadziła cyfrową transmisję głosu i podstawową transmisję danych) oraz 3G (która dodała mobilny dostęp do Internetu). Każda generacja charakteryzuje się nową technologią radiową i nową architekturą sieci, a nie tylko większymi prędkościami.

Międzynarodowa Unia Telekomunikacyjna (ITU) ustaliła formalne cele wydajnościowe określające, co kwalifikuje się jako „prawdziwe” 4G w ramach standardu IMT-Advanced, w tym szczytowe prędkości transmisji danych na poziomie około 1 Gbps dla użytkowników stacjonarnych i 100 Mbps dla użytkowników mobilnych. W praktyce branża uznała LTE i jego następcę, LTE Advanced, za technologie komercyjne wprowadzane na rynek jako 4G, ponieważ to właśnie LTE Advanced faktycznie spełnia cele określone w standardzie IMT-Advanced. Dlatego czasami spotyka się określenia „4G LTE” i „prawdziwe 4G”, używane w celu odróżnienia wczesnych wdrożeń LTE od późniejszych sieci LTE Advanced, mimo że obie są sprzedawane konsumentom po prostu jako „4G”.

W przypadku wdrożeń IoT to rozróżnienie rzadko ma znaczenie w codziennym użytkowaniu. Liczy się to, że sieci 4G, zarównow generacjiLTE, jak i LTE Advanced, zapewniają wydajność mobilnego Internetu szerokopasmowego na tyle niezawodną, że pozwalają na obsługę wszystkiego – od cyfrowych oznakowań po czujniki przemysłowe – bez konieczności przełączania się urządzenia na wolniejszą, starszą sieć.

Jak działa sieć 4G?

Sieć 4G opiera się na dwóch głównych komponentach: sieci dostępu radiowego, która obsługuje połączenia bezprzewodowe z urządzeniami, oraz sieci rdzeniowej, która kieruje ruchem i zarządza sesjami.

• eNodeB (evolved Node B). Jest to wieża radiowa 4G, czyli stacja bazowa, z którą urządzenie łączy się bezpośrednio. W przeciwieństwie do sieci 3G, w której ruch był kierowany przez kontroler pośredni (RNC), eNodeB w sieci 4G łączy się bezpośrednio z siecią rdzeniową, eliminując jeden etap i zmniejszając opóźnienie.
• EPC (Evolved Packet Core). Jest to sieć rdzeniowa typu all-IP, która obsługuje wszystko to, czego nie robi eNodeB: routing danych, zarządzanie mobilnością w miarę przemieszczania się urządzenia między wieżami, uwierzytelnianie kart SIM oraz egzekwowanie jakości usług. Podmiot zarządzania mobilnością (MME) w sieci EPC jest węzłem kontrolnym odpowiedzialnym za śledzenie urządzeń w trybie czuwania oraz wywoływanie ich, gdy konieczne jest dostarczenie danych.
• UE (User Equipment). Jest to termin techniczny określający dowolne urządzenie łączące się z siecią, niezależnie od tego, czy jest to smartfon, brama przemysłowa, czy czujnik IoT z wbudowanym modemem.

Kluczową zmianą architektoniczną w przejściu z 3G na 4G jest to, że połączenia głosowe, dane i sygnalizacja są przesyłane tą samą ścieżką opartą na protokole IP, zamiast przez oddzielne systemy z komutacją obwodów i komutacją pakietów. To uproszczenie w dużej mierze wyjaśnia, dlaczego sieci 4G obsługują znacznie więcej jednoczesnych połączeń i aplikacji wymagających znacznie większego transferu danych niż kiedykolwiek mogłyby to zrobić sieci 3G.

Jakie technologie sprawiają, że 4G jest tak szybkie?

Trzy elementy techniczne odpowiadają w największym stopniu za przewagę sieci 4G nad 3G pod względem prędkości i przepustowości:

• OFDMA (Orthogonal Frequency-Division Multiple Access – ortogonalny wielokrotny dostęp z podziałem częstotliwości). Stosowana w łączu w dół technologia OFDMA dzieli kanał radiowy na wiele wąskich podnośnych, które mogą być przypisane do różnych urządzeń jednocześnie, umożliwiając przesyłanie większej ilości danych w tym samym paśmie częstotliwości przy mniejszych zakłóceniach niż w przypadku rozwiązania 3G.
• SC-FDMA (Single-Carrier Frequency-Division Multiple Access). Stosowana w łączu w górę technologia SC-FDMA zapewnia podobną wydajność widmową jak OFDMA, a jednocześnie jest bardziej energooszczędna dla urządzenia nadającego, co ma znaczenie w przypadku sprzętu zasilanego z baterii.
• MIMO (Multiple Input, Multiple Output). Technologia MIMO wykorzystuje wiele anten zarówno po stronie nadajnika, jak i odbiornika, aby wysyłać i odbierać więcej niż jeden strumień danych jednocześnie na tej samej częstotliwości. Większa liczba anten zazwyczaj oznacza lepszy stosunek sygnału do szumu, większy zasięg komórki i wyższą przepustowość, dlatego konfiguracje MIMO (takie jak 2x2 lub 4x4 MIMO) są powszechną specyfikacją routerów i modemów 4G.

Oprócz tego agregacja nośnych, polegająca na łączeniu wielu pasm częstotliwości w jeden, szerszy efektywny kanał, pozwala operatorom osiągać rzeczywiste prędkości znacznie przekraczające te, jakie mogłoby zapewnić pojedyncze pasmo. Szczegółowa analiza technologii LTE przeprowadzona przez Com4 obejmuje zagadnienie agregacji nośnych oraz konkretne pasma częstotliwości stosowane w krajach skandynawskich, przedstawiając je w bardziej technicznych szczegółach.

Jaka jest różnica między 4G a LTE?

LTE (Long-Term Evolution) to technologia radiowa, która obsługuje zdecydowaną większość rzeczywistego ruchu 4G, a w większości praktycznych zastosowań terminy „4G” i „LTE” opisują tę samą sieć. Z technicznego punktu widzenia jednak LTE było pierwszym krokiem w kierunku pełnej wydajności 4G, a to właśnie LTE Advanced (a później LTE Advanced Pro) faktycznie spełnia formalne cele ITU dotyczące 4G. Operatorzy sieci i producenci urządzeń wprowadzają na rynek obie generacje po prostu jako „4G”, ponieważ to rozróżnienie rzadko wpływa na to, jak urządzenie lub użytkownik odbiera działanie sieci. Kiedy Com4 zapewnia łączność SIM 4G, obejmuje to pełen zakres sieci LTE i LTE Advanced, dzięki czemu urządzenia otrzymują najsilniejszy dostępny sygnał 4G niezależnie od tego, w której konkretnej podgeneracji działa dana stacja bazowa.

Jak działa VoLTE w sieciach 4G?

Starsze sieci obsługiwały połączenia głosowe za pośrednictwem oddzielnego połączenia z komutacją obwodów, co jest jednym z powodów, dla których niektóre wczesne telefony 4G przechodziły na sieć 3G na czas trwania połączenia. VoLTE (Voice over LTE) rozwiązuje ten problem, przesyłając głos jako kolejny strumień danych IP w tej samej sieci 4G, z której korzystają wszystkie inne usługi, wykorzystując ujednoliconą architekturę all-IP protokołu EPC. W rezultacie połączenia mogą być nawiązywane szybciej, charakteryzują się wyższą jakością dźwięku (często reklamowaną jako HD Voice) i mogą przebiegać równolegle z przesyłaniem danych bez konieczności przełączania sieci. W przypadku wdrożeń IoT sama technologia VoLTE rzadko ma znaczenie, ponieważ większość urządzeń nie obsługuje ruchu głosowego, ale stanowi ona użyteczną ilustrację tego, o ile prostsza jest konstrukcja 4G oparta w całości na protokole IP w porównaniu z architekturą „patchworkową”, którą zastąpiła.

4G vs 3G vs 5G: czym się faktycznie różnią?

Praktyczny wniosek dla większości wdrożeń IoT: technologia 3G jest stopniowo wycofywana z sieci w krajach skandynawskich, 5G nadal koncentruje się na konkretnych, wysokowartościowych zastosowaniach, a 4G plasuje się pośrodku jako dojrzała, niezawodna technologia domyślna, obsługująca przeważającą większość podłączonych urządzeń wykorzystywanych obecnie w produkcji.

Jaka jest obecnie rola 4G w łączności IoT?

4G to nie tylko sieć, z której korzystają smartfony. Stanowi ona również podstawę dla dwóch wariantów sieci przeznaczonych specjalnie dla IoT, opartych na tym samym standardzie LTE:

• LTE-M obsługuje urządzenia wymagające mobilności i umiarkowanej przepustowości, takie jak lokalizatory i sprzęt przenośny, zużywając przy tym mniej energii niż standardowe 4G.
• NB-IoT obsługuje proste, stacjonarne czujniki, które rzadko wysyłają niewielkie ilości danych, stawiając na pierwszym miejscu żywotność baterii i zasięg w głębokich wnętrzach budynków, a nie prędkość.

Zarówno LTE-M, jak i NB-IoT działają w oparciu o tę samą fizyczną infrastrukturę sieci 4G, którą operatorzy już zbudowali, i właśnie dlatego ich wdrażanie jest tak opłacalne: nie ma potrzeby wdrażania oddzielnej sieci radiowej.

Przewodnik Com4 po technologii LTE szczegółowo omawia różnice techniczne między standardową siecią 4G, LTE-M i NB-IoT oraz sposób dokonywania wyboru między nimi.

Łączność 4G w praktyce: przykłady klientów firmy Com4

ZetaDisplay: stale aktywna sieć 4G dla systemów digital signage, w których liczy się każda sekunda. Sieć digital signage firmy ZetaDisplay, wdrożona m.in. w pociągu Oslo Airport Express oraz na dworcu centralnym w Oslo, działa w oparciu o przemysłowe modemy 4G połączone za pomocą kart SIM firmy Com4. Ponieważ karty SIM firmy Com4 automatycznie przełączają się między wieloma sieciami komórkowymi, system digital signage pozostaje online nawet w przypadku pogorszenia jakości sieci jednego operatora w konkretnej lokalizacji, co ma kluczowe znaczenie, gdy wyświetlane treści obejmują aktualne czasy odjazdu pociągów.

Soundsensing: czujnikioparte na technologii 4G wdrożone na dużą skalę. Firma Soundsensing zainstalowała ponad 1 500 czujników hałasu w około 150 budynkach, w tym w obiektach należących do Statsbygg oraz w nieruchomościach w okolicach Oslo, wykorzystując łączność LTE-M działającą w zasięgu sieci 4G firmy Com4. W tej skali decydującym czynnikiem nie jest maksymalna prędkość, ale stały zasięg wymagający niewielkiej konserwacji w wielu fizycznych lokalizacjach – dokładnie to, do czego została stworzona dojrzała sieć 4G.

Just Eat Norway: łączność 4G dla rozproszonej sieci kiosków. Just Eat Norway prowadzi sieć kiosków do składania zamówień połączonych z siecią komórkową od 2006 roku, czyli jeszcze przed powstaniem większości dzisiejszej infrastruktury 4G, a wraz z jej dojrzewaniem przeprowadziła migrację do tej technologii. Kioski wymagają niezawodnej łączności mobilnej w wielu lokalizacjach detalicznych – jest to przypadek użycia, który idealnie wykorzystuje połączenie szerokiego zasięgu i przystępnego kosztu połączenia, jakie oferuje 4G.

Czy 4G zostanie zastąpione przez 5G?

Nie w najbliższym czasie, a w przypadku większości podłączonych urządzeń – w ogóle. Wdrażanie sieci 5G nadal koncentruje się na gęsto zaludnionych obszarach miejskich oraz na konkretnych zastosowaniach wymagających dużej przepustowości i niskiego opóźnienia, takich jak automatyka przemysłowa czy stacjonarny dostęp bezprzewodowy. W przypadku zdecydowanej większości wdrożeń IoT – od śledzenia flot, przez inteligentne liczniki, po czujniki środowiskowe – technologia 4G już teraz zapewnia więcej niż wystarczającą prędkość i przepustowość przy niższych kosztach sprzętu i łączności niż w przypadku 5G. Oczekuje się, że operatorzy będą utrzymywać sieci 4G w działaniu jeszcze przez znaczną część następnej dekady, właśnie dlatego, że tak duża część infrastruktury przemysłowej i IoT jest od nich zależna. Przewodnik firmy Com4 dotyczący wdrażania 5G w krajach skandynawskich wyjaśnia, w jakich sytuacjach 5G faktycznie ma dziś sens, jeśli rozważasz wybór między tymi dwiema technologiami.

Wybór odpowiedniej łączności opartej na 4G dla Twoich urządzeń

Nie każde urządzenie potrzebuje tej samej części standardu 4G. Przed wyborem karty SIM i planu taryfowego warto przejrzeć krótką listę kontrolną:

1. Ile danych faktycznie wysyła urządzenie? Urządzenie przesyłające strumieniowo wideo potrzebuje standardowej przepustowości 4G; czujnik przekazujący odczyty co kilka minut może dobrze funkcjonować w sieci NB-IoT.
2. Czy urządzenie jest w ruchu? Sprzęt mobilny lub przenośny zazwyczaj wymaga standardowego 4G lub LTE-M zamiast NB-IoT, które jest zoptymalizowane pod kątem urządzeń stacjonarnych.
3. Jak bardzo ograniczony jest budżet energetyczny? W przypadku urządzeń zasilanych bateryjnie, które mają być eksploatowane przez wiele lat, warto rozważyć LTE-M lub NB-IoT zamiast standardowych modemów 4G, które zużywają znacznie więcej energii.
4. Jak wygląda fizyczne środowisko wdrożenia? Lokalizacje wewnątrz budynków, pod ziemią lub w innych trudno dostępnych miejscach korzystają z właściwości technologii NB-IoT zapewniających głębszą penetrację.
5. Czy wdrożenie obejmuje wiele krajów lub sieci? Jeśli tak, należy poszukać łączności SIM, która automatycznie przełącza się między operatorami, zamiast blokować urządzenie w jednej sieci.
6. Czy po wdrożeniu konieczne będzie zdalne ponowne skonfigurowanie urządzenia? Należy upewnić się, że karta SIM obsługuje konfigurację bezprzewodową (over-the-air), dzięki czemu zmiany sieci i profilu nie wymagają wizyty na miejscu. Przewodnik firmy Com4 po kartach SIM dla IoT, eSIM i iSIM omawia kwestie związane z formą fizyczną i konfiguracją, które mają wpływ na tę decyzję.