4G

4G (inglise keeles fourth generation - neljas põlvkond) märgib tavaliselt mõne seadme, tarkvara või standardi neljandat põlvkonda, antud kirjutis räägib neljanda põlvkonna mobiilsidevõrgu standardist. See on arenenum versioon 3G ja 2G perede standarditest. 4G komplekti maksimaalne allalaadimise kiirus on suure liikuvusega seadmetes (näiteks mobiiltelefonides) 100 Mbit / s ja väikese liikuvusega seadmetes (näiteks eraldiseisev traadita modem) 1 Gbit / s.

4G süsteemilt oodatakse mitmekülgset ja turvalist IP põhist lahendust, kus oleks kasutajatele tagatud mitmesugused teenused, nagu näiteks ultra-lairiba Internet, VoIP, mänguteenused ja multimeediavoog.

Palju segadust on tekitanud tõsiasi, et tehnoloogiad, mis on hetkel turul ja mida tootjad reklaamivad kui "4G" on 4G tehnoloogia eelkäijaid nagu mobiilne WiMAX ja Long Term Evolution(LTE). Need versioonid aga ei täida ITU-R nõudeid, kus andmeedastuskiirus peab 4G süsteemide puhul olema ligikaudu kuni 1 Gbit/s. Seega oleks neid õigem nimetada kui 3,9 põlvkonna standardid. Nendest nõuetest hoolimata on jätkatud 4G eelversioonide WiMAXi ja LTE turustamist 4G kaubamärgi all.

Kõigis ettepanekuis 4G-le on CDMA spektri hajutamise raadio tehnoloogia, mis kasutab 3G süsteeme ja IS-95, hüljatud ja asendatud sagedusala ühtlustatud skeemiga nagu OFDMA. See on kombineeritud MIMO-ga, näiteks mitmekordsete antennide, dünaamiliste kanalite jaotamise ja kanali sõltuvuse planeerimisel.

Kõik juhtmevaba telekommunikatsiooni ettevõtted on üldiselt 4G, kui arenenud juhtmevaba tehnoloogia, mis muuhulgas põhineb nii-nimetatud lai kanali OFDM tehnoloogial ja mille arhitektuur põhineb IP-l, omaks võtnud. Ühendriikides vastab nendele parameetritele Sprint-s 4G tehnoloogia. T-Mobile tehnoloogia aga nendele parameetritele ei vasta.

ITU nõuded

ITU(Rahvusvaheline Telekommunikatsiooni Liit) eesmärk on soodustada ülemaailmse telekommunikatsiooni levikut. ITU tugineb arengumaadele, kus tahetakse kindel olla, et nende tehnoloogia on standardne ja loodetavasti laia levialaga. Kuigi ITU on kasutusele võtnud soovitusi tulevase ülemaailmse telekommunikatsiooniside tehnoloogiate loomiseks, ei tee nad tegelikult standartiseerimist ega arendustööd ise vaid toetutvad oma töös teistele standartasutustele nagu IEEE, WiMAX Forum ja 3GPP. Hiljuti kiitis ITU töögrupp heaks kaks arenenud tööstustehnoloogiat kaasamaks ITU International Mobile Telecommunications Advanced (IMT-Advanced programmi), mis on keskendunud ülemaailmsete sidesüsteemide arendamisele, mis oleksid kättesaadavad juba paari aasta pärast. Töörühma eesmärgiks ei olnud kommenteerida tänapäevaseid 4G-sid, mis on Ameerika Ühendriikides välja antud, kui täpsem olla siis töögrupp otsustas mitte siduda IMT-Advanced programmi 4G tingimustega, tunnistades juba käimasolevat ühist kasutust tööstuses. Sellest hoolimata ignoreeris ITU turundus ja reklaamiosakond seda kokkulepet ja kasutas 4G terminit endi pressiteadetes. Kuigi ITU on loonud soovitusi IMT-Advanced-ile ei ole need soovitused aga siduvad ITU liikmesriikides.

4G eelkäijad ja kandidaadid

3GPP Long Term Evolution (LTE)

Telia- Samsung LTE modem

Eel-4G tehnoloogia 3GPP Long Term Evolution(LTE) on sageli reklaamitud kui „4G“, aga esimene LTE väljalase ei täida täielikult IMT-Advanced kriteeriume. LTE standardil on teoreetiline allalaadimiskiirus kuni 100Mbit/s ja üleslaadimiskiirus kuni 50Mbit/s, kui kasutati 20MHz kanalit – ja rohkem, kui kasutati MIMO( inglise keeles multiple-input multiple-output - mitu sisendit-mitu väljundit).

Maailma esimene avalikuks kasutamiseks mõeldud LTE-võrk avati kahes Skandinaavia pealinnas: Stockholmis(Ericssoni süsteem) ja Oslos(Huawei süsteem) 14. detsembril 2009, ja reklaamiti seda kui 4G võrku. Lõppkasutaja seadmed olid toodetud Samsungi poolt. LTE kuutasu Stockholmis on ligi 550 krooni kuus ja andmemaht on piiratud 30 GB-ni. Paljud suurimad mobiilifirmad Suurbritannias ja mujal maailmas on lubanud oma võrgud muuta LTE tasandile 2011 aasta algul.

Füüsiline raadioside võrk nimetati varajases staadiumis HSOPA(High Speed OFDM Packet Access), hiljem E-UTRA(Evolved UMTS Terrestrial Radio Access).

LTE Advanced

LTE Advanced (inglise keeles Long-term-evolution Advanced) on IMT-Advanced standardi kandidaat, ametlikult esitatud 3GPP organisatsiooni poolt ITU-T’le 2009. aasta sügisel, ja eeldatavasti tuleb välja 2012. 3GPP LTE Advanced sihtmärk on jõuda ja ületada ITU kriteeriumid. LTE-Advanced on sisuliselt LTE täiendus. See ei ole uus tehnoloogia, vaid praeguse LTE võrgu edasiarendus. See uuendus on kasumlik müüjatele: kõigepealt pakkuda LTE-d ja siis uuendust LTE-Advanced, mis on sarnane WCDMA uuendusele HSPA-ks. Lisaspekter ja multipleksimine võimaldavad saavutada LTE ja LTE-Advanced kiirema andmeside. Kordineeritud multipoint edastus tõstab süsteemi suutlikkust ohjata suuri andmekiiruseid. Loodetakse, et LTE kümnes väljalase saavutab LTE-Advanced kiirused. 8. väljalase toetab praegu kuni 300Mbps allalaadimiskiirust, kuid mis on ikka veel vähe, võrreldes IMT-Advanced standardiga.

LTE-Advanced andmeedastuskiirused

	LTE-Advanced
Allalaadimiskiirus	1 Gbps
Üleslaadimiskiirus	500 Mbps

Mobiilne WiMAX(IEEE 802.16e)

Mobiilne WiMAX (IEEE 802.16e) või mobiilne lairibaühendus(MWBA) standard on samuti reklaamitud kui 4G ja mis annab 20MHz kanalil allalaadimiskiiruseks 128Mbit/s ja üleslaadimiskiiruseks 56Mbit/s.

Maailma esimene kaubanduslik mobiilne WiMAX-i teenus avati Sóulis, Lõuna-Koreas, 30 juuni 2006.

Sprint Nextel on mobiilset WiMAX’i kasutanud alates 29. Septemberist 2008 ja nimetab seda „4G“ võrguks.

4G eesmärgid

• Paindlik kanali ribalaius, vahemikus 5–20 MHz, lisavõimalusena kuni 40 MHz.

• Nominaalne andmeedastuskiirus 100Mbit/s, kui klient füüsiliselt liigub suure kiirusega jaama suhtes ja 1 Gbit/s, kui klient ja jaam on fikseeritud positsioonidel, nagu ITU-R on määratlenud.

• Andmeedastuskiirus vähemalt 100Mbit/s kahe punkti vahel, olenemata nende punktide asukohast maailmas.

• Sujuv lülitumine ühest võrgust teise heterogeenses võrgus.

• Sujuv ühenduvus ja globaalne uitühendus võrkude vahel.

• Kvaliteetne teenus järgmise põlvkonna multimeedia jaoks(näiteks HDTV, mobiil TV, sujuv voogvideo, videovestlus)

• Koostalitlus olemasolevate juhtmevabade võrkudega.

• Universaalne juurdepääs ja porditavus üle kõigi seadmete.

• IP põhised väiksed tugijaamad(inglise keeles Femtocell).

4G eelised

4G süsteemi strateegiline nägemus kujunes esmakordselt USA Kaitseministeeriumi Teadus- agentuuril (inglise keeles Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)). DARPA valis hajusarhitektuuri ja läbiva Interneti protokolli ja uskus algselt P2P võrku, kus iga mobiilne seade võib võrgus olla nii vastuvõtja kui ka saatja teiste seadmete jaoks, mis kõrvaldaks rumm-kodar (inglise keeles spoke-and-hub) arhitektuuri nõrkuse, mis eksisteerib 2G ja 3G mobiilivõrkudes. Alates 2.5G GPRS süsteemist on mobiilivõrgu süsteemid varustatud topelt infrastruktuuriga: pakettkommuteeritud sõlmpunktid andmeside jaoks ja kanalikommuteeritud sõlmpunktid häälkõne jaoks. 4G süsteemis on kanalkommutatsiooniga infrastruktuur kaotatud ja on ainult pakettkommutatsioonil põhinev võrk. See tähendab seda, et traditsioonilised häälkõned edastatakse läbi Interneti(IP-telefon).

Mobiilvõrgud nagu 4G, võimaldavad takistamatult liikumist. Seega failiedastus ei katke, kui terminal liigub ühest tugijaama levialast teise. Terminal jätab samaks ka IP-aadressi, kui toimub üleminek. See tähendab, et liikuv server on kättesaadav nii kaua, kuni see on mõne serveri levialas. 4G süsteemis on see liikuvus tagatud tänu mobiil-IP protokollile, mis on osa IPv6-st. Vanemates mobiilivõrgu põlvkondades põhines see füüsilisel ja andmelülikihi protokollil. Lisaks takistamatule liikumisele tagab 4G paindliku koostalitluse erinevate eksisteerivate traadita võrkudega, nagu näiteks satelliitvõrk, traadita mobiilside, WLAN ja PAN.

Säilitades takistusteta liikumist, pakub 4G traadita teenustele väga suurt andmeedastuskiirust, ootuspäraselt 100Mbit/s. Suurem ribalaius ja kiirem andmeedastuskiirus võimaldab 4G kasutajal vaadata kõrglahutusega videoid ja pidada videokonverentse. 4G traadita süsteem peaks suutma anda igakülgset IP lahendust , kus multimeedia rakendusi ja teenuseid on võimalik saata kasutajale ükskõik millal ja kuskohas kiirel andmeedastuskiirusel, esmaklassilisel kvaliteedil ja kõrge turvalisusega.

Komponendid

Pöördustehnoloogiad

Nagu arenesid traadita standardid, arenes ka sidetehnika efektiivsus, jõudlus ja mastaapsus. Esimese põlvkonna traadita standardid kasutasid lihtsat TDMA ja FDMA-d. Traadita kanalites tõestas aga TDMA suutmatust juhtida kõrge andmeedastuskiirusega kanaleid, sest see nõuab suuri kontrollpause, et leevendada multiraja mõju. Samamoodi tarbib FDMA rohkem ribalaiust valvamisele, et vältida kandja-häire suhet. Seepärast üks osa teise põlvkonna süsteeme kasutasid kombinatsiooni FDMA ja TDMA ning teine osa võttis kasutusele ühispöördustehnoloogia nimega CDMA. CDMA kasutamine tõstis süsteemi suutlikkust, ent teoreetiline viga pani sellele „pehmed“ piirid(st CDMA võrgu häälestus ei suuda loomupäraselt tagasi lükata uusi kliente, kui ta läheneb limiidini ning kui võrk koormatakse üle, siis selle tulemuseks on see, et võrk keelab teenuse kõigile selle kasutatele; kuigi seda välditakse praktilisi lahendusi kasutusele võttes teenusekvaliteedi(QoS) poolt. Andmeedastuskiirus on ka suurenenud, sest see süsteem(eeldab, et võrk ei saavuta oma suutlikkust) on piisavalt tõhus, et toime tulla multipath kanalil. See andis võimaluse kolmanda põlvkonna süsteemidele, nagu näiteks IS-2000, UMTS, HSXPA, 1xEV-DO, TD-CDMA ja TD-SCDMA, kasutada CDMA kui pöördustehnoloogiat. Siiski, probleemküsimus CDMA puhul on kehv spektraalse paindlikkus ja arvutuslikult intensiivne aeg-domeen ühtlustamine lairiba kanalitel.

Uued pöördustehnoloogiad nagu OFDMA, SC-FDMA, Interleaved FDMA ja MC-CDMA koguvad üha rohkem tähtsust järgmise põlvkonna süsteemide jaoks. Need põhinevad efektiivsetel FFT algorütmidel ja sagedusdomeeni tasakaalustamisel, mille tulemuseks on madalam paljunduste arv sekundis. Samuti teevad need võimalikuks kontrollida lairiba laiust ja spektri paindlikkust. Kuid siiski, nad nõuavad täiustatud dünaamilise kanali paigutust ja kohanemisvõimelist liiklusplaani.

Wimax kasutab OFDMA-d allalingi ja üleslingi jaoks. Järgmise põlvkonna UMTS kasutab allalingi jaoks aga OFDMA-d. Seevastu IFDMA-d on kaalutletud üleslingi jaoks sellest asjast peale kui OFDMA pakub rohkem lahendusi PAPR seotud probleemküsimustele. IFDMA tagab väiksema energia kõikumise ja see väldib võimendiga seotud probleeme. Samuti MC-CDMA on ettepanek IEEE 802.20 standardile. Need pöördustehnoloogiad on sama efektiivsed nagu vanemad tehnoloogiad nagu näiteks CDMA. Erinevalt sellest, on võimalik saavutada skaleeritavus ja kõrgem andmeedastuskiirus.

Teine tähtis eelis eelpool nimetatud tehnoloogial on see, et nad vajavad vähem tasakaalustamist vastuvõtjas. See on lisatud eelis eriti MIMO keskkondades sellest asjast peale, kui ruumiline multipleksimine ülekanne MIMO süsteemides nõuab loomupäraselt kõrget tasakaalustamist vastuvõtjas. Lisaks nendele täiendustele multipleksimise süsteemides, on kasutatud ka täiendatud modulatsioonitehnikaid. Arvestades, et varasemad standardid kasutasid palju faasimodulatsiooni on 3GPP Long Term Evolution standardid määratud kasutama efektiivsemad süsteeme, näiteks 64QAM-d.

IPv6 tugi

Erinevalt 3G-st, mis põhineb kahel paralleelsel infrastruktuuril: pakettkommuteeritud ja kanalikommutatsiooniga võrgusõlmedel, 4G hakkab baseeruma ainult pakettkommutatsioonil. See nõuab madala latentsusajaga andmeedastust.

Selleks ajaks, kui 4G on välja töötatud, peaks protsess IPv4 aadressidega olema oma lõplikus etapis. Seetõttu on 4G kontekstis IPv6 toetus oluline, et toetada suurel hulgal traadita seadmeid. Suurendades IP aadresside arvu, IPv6 kaotab vajaduse võrguaadresside ümbernimetamiseks (ing. Network Address Translation(NAT)), võimaldab selline meetod jagada piiratud arv aadresse suurema grupi seadmete seas, kuigi NAT on endiselt nõutav, et suhelda seadmetega, mis on IPv4 võrkudes.

Juuni 2009 seisuga on Verizon postitanud spetsifikatsiooni, mis eeldab igal 4G seadmel IPv6 tehnoloogiat.

Arenenud antennisüsteemid

Raadioside suutlikkus sõltub antennisüsteemist, mida nimetatakse targaks või intelligentseks antenniks (inglise keeles smart or intelligent antenna). Mitmekordsete antennide tehnoloogia on tekkimas, et saavutada 4G eesmärgid: kiire andmeedastus, kõrge töökindlus ja kaugside. Et rahuldada kasvavat andmeedastuskiiruse vajadust, pakuti 1990-ndate alguses välja palju edastamise süsteeme. Üks tehnoloogia, ruumiline multipleksimine, saavutas tähtsuse selle ribalaiuse hoidmise ja energia efektiivsuse poolest. Ruumiline multipleksimine eeldab mitme antenni olemasolu nii saatjal kui vastuvõtjal. See võimaldab edastada sõltumatud vood samaaegselt läbi kõigi antennide. See tehnoloogia, nimetatud kui MIMO, suurendab baasi andmeedastuskiirust nii mitu korda, kui palju on kasutusel antenne saatjal ja vastuvõtja. Kui saatjal ja vastuvõtjal on kasutusel erinev arv antenne, siis kiiruse mõõdupuuks jääb väiksema arvuga antennide arv. Peale selle, usaldusväärsus suurel kiirusel andmete edastamises kõikuval kanalil(ing. Fading channel) on parandatav, kasutades rohkem antenne saatjas või vastuvõtjas. Seda nimetatakse edastamise või vastuvõtmise mitmekesisuseks. Mõlemad, nii edastamise/vastuvõtmise mitmekesisus ja ruumiline multipleksimine on jaotatud aegruumi kodeerimise tehnoloogiateks, mis ei nõua tingimata saatjal kanali tundmist. Teine kategooria on suletud-kontuur mitmekordsete antennide tehnoloogiad, mis nõuavad saatjalt kanali tundmist.

Software-defined radio

SDR on üks vorm avatud traadita arhitektuurist(ing. open wireless architecture(OWA)). Sellest ajast peale, kui 4G on traadita standardite kogumik, lõplik vorm 4G seadmest võib moodustada mitmetest standarditest. Seda saab tõhusalt realiseerida kasutades SDR tehnoloogiat, mis on jaotatud mingile alale vastavalt raadioside konvergentsile.

Ajalugu

• Aastal 2002, strateegiline nägemus 4G-st, mida ITU nägi ette kui IMT-Advanced, pandi välja.

• Aastal 2005, OFDMA edastustehnoloogia valiti HSOPA allalingi kandidaadiks, hiljem nimetati ümber 3GPP Long Term Evolution(LTE) raadioliides E-UTRA.

• Novembris 2005, KT demonstreeris mobiilset WiMAX teenust Busanis, Lõuna-Koreas.

• Juunis 2006, KT avas maailma esimese mobiilse WiMAXi teenuse kommertskasutuseks Sóulis, Lõuna-Koreas.

• 2006 aasta keskel Sprint Nextel teatas, et ta investeerib umbes 5 biljonit US$ WiMAXi tehnoloogiasse paari lähema aasta jooksul. Sellest ajast peale on Sprint seisnud silmitsi paljude tagasilöökidega, mis on kaasa toonud kvartaakseid kahjusid.

• Veebruaris 2007, Jaapani firma NTT DoCoMo katsetas 4G sideteenuse prototüüpi 4x4 MIMO, nimetatud VSF-OFCDM, 100Mbit/s liikumise pealt ja 1Gbit/s paigal olles. NTT DoCoMo viis lõpule ka katse, kus nad saavutasid maksimaalseks paketi ülekande kiiruseks umbes 5 Gbit/s allalingil, kui 12x12 MIMO kasutas 100MHz sagedusega lairiba, liikudes 10km/h. Firma plaanib avada esimese kommertsvõrgu 2010.

• Septembris 2007, NTT DoCoMo demonstreeris e-UTRA andmeedastuskiirust 200Mbit/s samal ajal kui energiatarve oli testi ajal väiksem kui 100mW.

• Jaanuaris 2008 algas USA Föderaalse Sidekomisjoni spektri oksjon endise analoog-TV 700MHz sagendustele. Selle tulemusena suurim osa spektrist läks Verizon Wireless’le ja järgmine suurem osa AT&T’le. Mõlemad ettevõtted on teatanud oma kavatsusest toetada LTE’d.

• Jaanuaris 2008 tegi EL’i volinik Viviane Reding ettepaneku ümberjaotada 500-800Mhz spekter traadita andmeside jaoks, sh WiMAX.

• 15. veebruar 2008 – Skyworks Solutions laseb välja font-end mooduli e-UTRAN’i jaoks.

• Aprillis 2008, LG ja Nortel demonstreerisid e-UTRA andmeedastuskiirusi 50Mbit/s liikudes samaaegselt 110km/h.

• Aastal 2008, ITU-R kehtestas üksikasjalikult jõudluse nõudmised IMT-Advanced’ile, andes ringkirja, milles nõutakse raadioside tehnoloogia kandidaati IMT-Advanced’ile.

• Aprill 2008, just pärast ringkirja, 3GPP korraldas IMT-Advanced serminari, kus otsustati, et LTE Advanced jõuab või isegi ületab IMT-Advanced nõudmised järgnedes ITU-R eesmärkidele.

• 3. Märtsil 2009, Leedu LRTC kuulutas välja esimese töökorras „4G“ mobiilse WiMAX’i võrgu Baltimaades.

• Detsembris 2009, Sprint hakkas reklaamima „4G“ teenust valitud linnades USA’s, kuigi keskmine allalaadmimiskiirus oli ainult 3-6Mbit/s ja maksimaalne 10Mbit/s.

• 14. detsembril 2009, esimene kaubanduslik LTE kasutuselevõtt Skandinaavia pealinnades Stockholmis(võrguoperaator TeliaSonera) ja Oslos(võrguoperaator NetCom). TeliaSonera reklaamis võrku „4G“ nime all. Modemi seadmed olid Samsungi toodetud(dongle GT-B3710) ja võrgu infrastruktuur oli loodud Huawei(Oslos) ja Ericssoni(Stockholm) poolt.

• 25 veebruar 2010, Eesti võrguoperaator EMT avas LTE „4G“ testvõrgu.

• 5. Juunil 2010 Sprint Nextel lasi välja esimese 4G telefoni Smartphone, HTC Evo 4G.

• Juuli 2010, Usbekistani MTS võttis kasutusele LTE Taškendis.

• 25. August 2010, Läti EMT avas LTE „4G“ võrgu.

4G Eestis

Esimese Eesti LTE „4G“ testvõrgu avas EMT 25. veebruaril 2010 Tallinnas Solarise keskuses, mis töötab 2600MHz sagedusalas. Võrgu seadmed olid Ericsssoni toodang, kes on neljanda põlvkonna mobiilsidevõrkude seadmete võtmetarnijaks ka kogu TeliaSonera grupile, kuhu kuulub ka EMT. Ericssonil on lisaks TeliaSonerale juba mitu 4G lepingut ka teiste suurte operaatoritega nagu Verizon ja MetroPCS USAs ja NTT DoCoMo Jaapanis. Lähiajal algab 4G seadmete tootmine Ericssoni Tallinna tehases. Lõppkasutaja seadmetest kasutati EMT 4G testis Samsungi modemit. Seda, millal tavakasutajad 4G võlusid kasutama saavad hakata, ei osanud EMT juhatuse esimees Valdo Kalm veel öelda.

Juuni algul 2010 alustas Tallinnas LTE katsetega ka Tele2. Esialgu paigaldati 3 väikese võimsusega katsetugijaama mis asuvad Vabaduse väljak 10a, Viru väljak 4 ja Regati pst.1.

8. juunil demonstreeris ka Elisa LTE võrku Tallinnas Euroopa Liidu Maja katuseterrassil. Koostöös tarnija Nokia Siemens Networksiga viidi läbi edukad testid ning kaeti suurem osa Tallinna kesklinnast LTE „4G“ levialaga. Kommertsteenuse osutamine Elisa 4G võrgus muutub võimalikuks pärast LTE litsentside välja jagamist 2010. aasta jooksul. Ajakirjanike osalemisel aset leidnud test näitas allalaadimise kiiruseks 90,03 Mbit/s ja üleslaadimisel 17,33 Mbit/s. Elisa serverist Helsingist jõudis viiemegane mp3-fail kohale ühe sekundiga, 35 MB videoklipp nelja sekundiga ning 800 MB film ühe minutiga.

Neljanda põlvkonna mobiilside (4G) sagedusluba taotles Eestis kokku üheksa Eesti, Soome ja Rootsi telekomiettevõtet. Taotlejad olid kohalikud telekomiettevõtted EMT, Elion Ettevõtted, Tele 2 Eesti ja Elisa Eesti, neile lisaks Rootsi ettevõte Tele 2 Sverige ning Soome ettevõtted Elisa Oyj, Dial Media Oy, Saunalahti Group Oyj ja Ecosite Oy. Esimeses järgus sagedusload said nendest ainult EMT, Elion, Dial Media OÜ ja Saunalahti Group OÜ. Kokku andis Tehnilise järelvalve amet välja 6 neljanda põlvkonna sagedusluba (EMT sai nendest 3 endale).