Hvad er 3G, og hvorfor lukkes det ned? En elektroingeniør forklarer

Den 22. februar 2022 er AT&T planlagt til at slukke for sit 3G-mobilnetværk. T-Mobile er planlagt til at slukke den 1. juli 2022, og Verizon er beregnet til at følge trop den 31. december 2022.

Langt de fleste mobiltelefoner i drift opererer på 4G/LTE-netværk, og verden er begyndt overgangen til 5G, men så mange som 10 millioner telefoner i USA er stadig afhængige af 3G-tjenester. Derudover er mobilnetværksfunktionerne på nogle ældre enheder som Kindles, iPads og Chromebooks knyttet til 3G-netværk. På samme måde er nogle ældre internet-tilsluttede systemer som hjemmesikkerhed, bilnavigation og underholdningssystemer og solcellepanelmodem 3G-specifikke. Forbrugerne bliver nødt til at opgradere eller udskifte disse systemer.

Så hvorfor slukker teleselskaberne deres 3G-netværk? Som elektroingeniør, der studerer trådløs kommunikation, kan jeg forklare. Svaret begynder med forskellen mellem 3G og nyere teknologier såsom 4G/LTE og 5G.

Forestil dig en familietur. Din ægtefælle er i telefonen og arrangerer aktiviteter på destinationen, din teenagedatter streamer musik og chatter med sine venner på sin telefon, og hendes yngre søskende spiller et onlinespil med sine venner. Alle disse separate samtaler og datastrømme kommunikeres over det cellulære netværk, tilsyneladende samtidigt. Du tager det sikkert for givet, men har du nogensinde undret dig over, hvordan det cellulære system kan håndtere alle disse aktiviteter på samme tid fra den samme bil?

Formidling af alle disse beskeder

Svaret er et teknologisk trick kaldet multiple access. Forestil dig at bruge et ark papir til at skrive beskeder til 100 forskellige venner, en privat besked til hver person. Multiple access-teknologien, der bruges i 3G-netværk, er som at skrive hver besked til hver af dine venner ved at bruge hele arket papir, så alle beskederne skrives oven på hinanden. Men du har et særligt sæt kuglepenne med forskellige farver, der giver dig mulighed for at skrive hver besked i en unik farve, og hver af dine venner har et særligt par briller, der kun afslører den farve, der er beregnet til den pågældende person.

Antallet af farvet penne er dog fast, så hvis du vil sende beskeder til flere personer end antallet af farvet penne, du har, skal du begynde at blande farver. Når nu en ven anvender deres specielle linser, vil de se en lille smule af beskederne til andre venner. De vil ikke se nok til at læse de andre beskeder, men overlapningen kan være nok til at sløre den besked, der er beregnet til dem, hvilket gør det sværere at læse.

Multiple access-teknologien, der bruges af 3G-netværk, kaldes Code Division Multiple Access eller CDMA. Det blev opfundet af Qualcomm-grundlæggeren Irwin M. Jacobs sammen med flere andre fremtrædende elektriske ingeniører. Teknikken er baseret på begrebet spread spectrum, en idé, der kan spores tilbage til begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Jacobs' papir fra 1991 viste, at CDMA kan øge den cellulære kapacitet mange gange i forhold til systemer på det tidspunkt.

CDMA lader alle mobilbrugere sende og modtage deres signaler til enhver tid og over alle frekvenser. Så hvis 100 brugere ønsker at indlede et opkald eller bruge en mobiltjeneste på omtrent samme tidspunkt, vil deres 100 signaler overlappe hinanden over hele det cellulære spektrum i hele den tid, de kommunikerer.

De overlappende signaler skaber interferens. CDMA løser interferensproblemet ved at lade hver bruger have en unik signatur:en kodesekvens, der kan bruges til at gendanne hver brugers signal. Koden svarer til farven i vores papiranalogi. Hvis der er for mange brugere på systemet på samme tid, kan koderne overlappe hinanden. Dette fører til interferens, som bliver værre i takt med at antallet af brugere stiger.

Udsnit af tid og spektrum

I stedet for at tillade brugere at dele hele det cellulære spektrum på alle tidspunkter, opdeler andre multiadgangsteknikker adgang efter tid eller frekvens. Opdeling over tid skaber tidsintervaller. Hver forbindelse kan vare over flere tidsvinduer spredt ud i tiden, men hver tid er så kort – et spørgsmål om millisekunder – at mobiltelefonbrugeren ikke opfatter afbrydelserne fra skiftende tidsvinduer. Forbindelsen ser ud til at være kontinuerlig. Denne tidsudskæringsteknik er time-division multiple access (TDMA).

Opdelingen kan også ske i frekvens. Hver forbindelse får sit eget frekvensbånd inden for det cellulære spektrum, og forbindelsen er kontinuerlig i dens varighed. Denne frekvensudskæringsteknik er Frequency Division Multiple Access (FDMA).

I vores papiranalogi er FDMA og TDMA som at dele papiret i 100 strimler i begge dimensioner og skrive hver privat besked på en strimmel. FDMA ville for eksempel være vandrette strimler, og TDMA ville være vertikale strimler. Med individuelle strimler er alle beskeder adskilt.

4G/LTE- og 5G-netværk bruger Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), en yderst effektiv kombination af FDMA og TDMA. I papiranalogien er OFDMA som at tegne strimler langs begge dimensioner, opdele hele papiret i mange firkanter og tildele hver bruger et andet sæt firkanter i henhold til deres databehov.

Slut på linjen for 3G

Nu har du en grundlæggende forståelse af forskellen mellem 3G og det senere 4G/LTE og 5G. Du kan stadig med rimelighed spørge, hvorfor 3G skal lukkes ned. Det viser sig, at på grund af disse forskelle i adgangsteknologien, er de to netværk bygget ved hjælp af helt forskelligt udstyr og algoritmer.

3G-håndsæt og basestationer fungerer på et bredbåndssystem, hvilket betyder, at de bruger hele det cellulære spektrum. 4G/LTE og 5G fungerer på smalbånds- eller multi-carrier-systemer, som bruger udsnit af spektret. Disse to systemer har brug for helt forskellige sæt hardware, fra antennen på mobiltårnet ned til komponenterne i din telefon.

Så hvis din telefon er en 3G-telefon, kan den ikke oprette forbindelse til et 4G/LTE- eller 5G-tårn. I lang tid har mobiludbyderne holdt deres 3G-netværk i gang, mens de har bygget et helt separat netværk med nyt tårnudstyr og serviceret nye håndsæt ved hjælp af 4G/LTE og 5G. Forestil dig at bære omkostningerne ved at drive to separate netværk på samme tid til det samme formål. Til sidst skal man gå. Og nu, hvor luftfartsselskaberne for alvor begynder at implementere 5G-systemer, er tiden kommet for 3G.