Dịch vụ di động 3G là gì và tại sao nó bị tắt? Một kỹ sư điện giải thích

Vào ngày 22 tháng 2 năm 2022, AT&T bắt đầu tắt mạng di động 3G của mình. T-Mobile dự kiến sẽ tắt nó vào ngày 1 tháng 7 năm 2022 và Verizon dự kiến sẽ làm theo vào ngày 31 tháng 12 năm 2022.

Phần lớn điện thoại di động trong dịch vụ hoạt động trên mạng 4G / LTE và thế giới đã bắt đầu chuyển đổi sang 5G, nhưng có tới 10 triệu điện thoại ở Mỹ vẫn sử dụng dịch vụ 3G. Ngoài ra, các chức năng mạng di động của một số thiết bị cũ hơn như Kindles, iPad và Chromebook được gắn với mạng 3G. Tương tự như vậy, một số hệ thống kết nối internet cũ hơn như an ninh gia đình, định vị ô tô, hệ thống giải trí và modem bảng điều khiển năng lượng mặt trời là dành riêng cho 3G. Người tiêu dùng sẽ cần phải nâng cấp hoặc thay thế các hệ thống này.

Vậy tại sao các nhà mạng viễn thông lại tắt mạng 3G của họ? Là một kỹ sư điện nghiên cứu về truyền thông không dây , tôi có thể giải thích. Câu trả lời bắt đầu từ sự khác biệt giữa 3G và các công nghệ sau này như 4G / LTE và 5G.

Hình ảnh một chuyến đi gia đình. Vợ / chồng của bạn đang nghe điện thoại sắp xếp các hoạt động cần làm tại điểm đến, con gái tuổi teen của bạn đang phát nhạc và trò chuyện với bạn bè trên điện thoại, còn đứa em của cô ấy đang chơi trò chơi trực tuyến với bạn bè của mình. Tất cả các cuộc trò chuyện và luồng dữ liệu riêng biệt đó được giao tiếp qua mạng di động, dường như đồng thời. Bạn có thể coi điều này là đương nhiên, nhưng bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào hệ thống di động có thể xử lý tất cả các hoạt động đó cùng một lúc, từ cùng một chiếc xe?

Truyền đạt tất cả những thông điệp đó

Câu trả lời là một thủ thuật công nghệ được gọi là đa truy cập . Hãy tưởng tượng bạn dùng một tờ giấy để viết tin nhắn cho 100 người bạn khác nhau, mỗi người một tin nhắn. Công nghệ đa truy cập được sử dụng trong mạng 3G giống như viết mọi tin nhắn cho từng người bạn của bạn bằng cách sử dụng cả tờ giấy, vì vậy tất cả các tin nhắn được viết chồng lên nhau. Nhưng bạn có một bộ bút đặc biệt với nhiều màu sắc khác nhau cho phép bạn viết mỗi tin nhắn bằng một màu riêng biệt và mỗi người bạn của bạn có một cặp kính đặc biệt chỉ tiết lộ màu sắc dành riêng cho người đó.

Tuy nhiên, số lượng bút màu là cố định, vì vậy nếu bạn muốn gửi thông điệp đến nhiều người hơn số bút màu bạn có, bạn sẽ cần bắt đầu trộn màu. Bây giờ khi một người bạn áp dụng ống kính đặc biệt của họ, họ sẽ thấy một chút thông điệp đến những người bạn khác. Họ sẽ không nhìn thấy đủ để đọc các thư khác, nhưng sự chồng chéo có thể đủ để làm mờ thư dành cho họ, khiến thư khó đọc hơn.

Công nghệ đa truy nhập được sử dụng bởi mạng 3G được gọi là Đa truy nhập phân chia theo mã, hoặc CDMA. Nó được phát minh bởi người sáng lập Qualcomm Irwin M. Jacobs cùng với một số kỹ sư điện nổi tiếng khác. Kỹ thuật này dựa trên khái niệm trải phổ, một ý tưởng có thể bắt nguồn từ đầu thế kỷ 20 . Bài báo năm 1991 của Jacobs đã chỉ ra rằng CDMA có thể tăng dung lượng tế bào lên gấp nhiều lần so với các hệ thống vào thời điểm đó.

CDMA cho phép tất cả người dùng di động gửi và nhận tín hiệu của họ mọi lúc và trên mọi tần số. Vì vậy, nếu 100 người dùng muốn thực hiện cuộc gọi hoặc sử dụng dịch vụ di động cùng một lúc, 100 tín hiệu của họ sẽ trùng lặp với nhau trên toàn bộ phổ di động trong toàn bộ thời gian họ giao tiếp.

Các tín hiệu chồng chéo tạo ra sự giao thoa. CDMA giải quyết vấn đề nhiễu bằng cách cho phép mỗi người dùng có một chữ ký duy nhất: một chuỗi mã có thể được sử dụng để khôi phục tín hiệu của mỗi người dùng. Mã tương ứng với màu trong giấy của chúng tôi tương tự. Nếu có quá nhiều người dùng trên hệ thống cùng một lúc, các mã có thể trùng nhau. Điều này dẫn đến sự can thiệp, trở nên tồi tệ hơn khi số lượng người dùng tăng lên.

Thời gian và quang phổ

Thay vì cho phép người dùng chia sẻ toàn bộ phổ di động mọi lúc, các kỹ thuật đa truy cập khác phân chia truy cập theo thời gian hoặc tần số. Sự phân chia theo thời gian tạo ra các khe thời gian. Mỗi kết nối có thể kéo dài qua nhiều khe thời gian trải dài theo thời gian, nhưng mỗi khe thời gian quá ngắn – chỉ vài phần nghìn giây – đến mức người dùng điện thoại di động không nhận thấy sự gián đoạn từ các khe thời gian xen kẽ. Kết nối dường như liên tục. Kỹ thuật phân chia thời gian này là đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA).

Việc phân chia cũng có thể được thực hiện theo tần suất. Mỗi kết nối được cung cấp băng tần riêng trong phổ di động và kết nối này liên tục trong thời gian của nó. Kỹ thuật phân chia tần số này là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA).

Tương tự trên giấy của chúng tôi, FDMA và TDMA giống như chia tờ giấy thành 100 dải theo hai chiều và viết mỗi thông điệp riêng trên một dải. Ví dụ, FDMA sẽ là dải ngang và TDMA sẽ là dải dọc. Với các dải riêng lẻ, tất cả các tin nhắn được tách biệt.

Mạng 4G / LTE và 5G sử dụng Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA), một sự kết hợp hiệu quả cao giữa FDMA và TDMA. Tương tự trên giấy, OFDMA giống như vẽ các dải dọc theo cả hai chiều, chia toàn bộ tờ giấy thành nhiều ô vuông và gán cho mỗi người dùng một bộ ô vuông khác nhau tùy theo nhu cầu dữ liệu của họ.

Kết thúc dòng cho 3G

Bây giờ bạn đã có hiểu biết cơ bản về sự khác biệt giữa 3G và 4G / LTE và 5G sau này. Bạn vẫn có thể hỏi lý do tại sao 3G cần phải tắt. Nó chỉ ra rằng vì những khác biệt trong công nghệ truy cập, hai mạng được xây dựng bằng cách sử dụng thiết bị và thuật toán hoàn toàn khác nhau.

Các thiết bị cầm tay 3G và trạm gốc hoạt động trên một hệ thống băng thông rộng, có nghĩa là chúng sử dụng toàn bộ phổ di động. 4G / LTE và 5G hoạt động trên các hệ thống băng thông hẹp hoặc đa sóng mang, sử dụng các dải phổ. Hai hệ thống này cần những bộ phần cứng hoàn toàn khác nhau, từ ăng-ten trên tháp di động cho đến các thành phần trong điện thoại của bạn.

Vì vậy, nếu điện thoại của bạn là điện thoại 3G, nó không thể kết nối với tháp 4G / LTE hoặc 5G. Trong một thời gian dài, các nhà cung cấp dịch vụ di động đã duy trì hoạt động của mạng 3G trong khi xây dựng một mạng hoàn toàn riêng biệt với thiết bị tháp mới và cung cấp dịch vụ cho các thiết bị cầm tay mới sử dụng 4G / LTE và 5G. Hãy tưởng tượng bạn phải trả chi phí vận hành hai mạng riêng biệt cùng một lúc cho cùng một mục đích. Cuối cùng, một người phải đi. Và bây giờ, khi các nhà mạng đang bắt đầu triển khai hệ thống 5G một cách nghiêm túc, thì 3G đã đến.

Người viết: Mai Vũ, Phó Giáo sư Kỹ thuật Điện và Máy tính, Đại học Tufts.

Bài báo này được xuất bản lần đầu tiên trên The Conversation .

Theo Scitechdaily