Поколения мобильной связи 1G → 5G: что менялось

В предыдущих восьми курсах телеком-трека мы прошли весь путь проводной и пакетной связи — от медной абонентской петли, цифровых трактов E1 (2048 кбит/с) и сигнализации ОКС-7 (SS7) до медиапотоков RTP, протокола SIP и операторского ядра NGN (Softswitch + MGW + SGW). Начиная с этого курса, наш абонент перерезает провод и начинает свободно перемещаться по городу, стране и всему миру со скоростью автомобиля или самолёта. На этом уроке мы построим полную инженерную карту пяти поколений мобильной связи (1G → 5G): разберём, почему каждые ~10 лет операторам приходилось полностью менять радиоинтерфейс, как эволюционировало ядро сети от чистой коммутации каналов (CS) к двухдоменной архитектуре (CS + PS в 2G/3G) и чисто пакетному ядру (All-IP PS в 4G/5G), и почему сети 2G GSM и 3G UMTS до сих пор остаются фундаментом глобального роуминга, голосовой связи, SMS и межмашинных устройств (M2M/IoT).

Цель и что нужно знать

Цель урока: научиться системно различать пять поколений мобильной связи (1G–5G) по четырём фундаментальным инженерным осям — методу множественного радиодоступа, архитектуре доменов коммутации ядра (CS / PS), механизму идентификации и безопасности абонента и способу передачи голоса и данных, а также понимать место технологий 2G GSM и 3G UMTS в современной мультистандартной сети оператора.

Что нужно знать перед началом:

• понятия частоты, полосы пропускания, аналоговой и цифровой модуляции, временного разделения каналов TDM и основного цифрового канала 64 кбит/с из курса «Основы телекоммуникаций» (telbasics 1–8, 27);
• принцип разделения разговорного тракта и сигнальной сети ОКС-7 (MTP, SCCP, TCAP, ISUP) из курса «ОКС-7 (SS7)» (ss7 1, 4, 56, 70);
• идею разделения управления вызовом и медиапотока (Softswitch / MGC + MGW) из курса «Сети NGN и Softswitch» (ngn 1–4).

Задача из жизни

Вы — ведущий архитектор ядра национального мобильного оператора. Компания готовит пятилетнюю стратегию рефарминга радиочастотного спектра (перевода частот 900 и 2100 МГц под 4G LTE и 5G NR) и модернизации коммутационного ядра. На совещании финансовый директор задаёт прямой вопрос:

1. «У нас уже развёрнуты сети 4G LTE и 5G. Зачем мы продолжаем поддерживать узлы 2G/3G — контроллеры BSC/RNC, коммутаторы MSC/VLR, регистры HLR, сигнальные маршрутизаторы STP и протоколы MAP/CAP? Почему нельзя просто выключить 2G и 3G завтра утром?»
2. Выясняется, что в сети работают 450 000 промышленных модемов (умные счётчики электроэнергии, POS-терминалы, автомобильные блоки ЭРА-ГЛОНАСС/eCall), поддерживающих только 2G/3G; кроме того, около 35% смартфонов (особенно в международном роуминге без соглашений VoLTE Roaming) при каждом входящем или исходящем звонке автоматически сбрасываются из 4G LTE в радиосеть 2G/3G по процедуре CSFB (Circuit Switched Fallback)!

Чтобы аргументированно защитить архитектуру сети и спланировать миграцию, необходимо чётко понимать, как устроена эволюция поколений 1G → 5G и какие именно механизмы родились в каждом поколении.

Четыре инженерные оси эволюции от 1G к 5G

Смена номера поколения («G» — Generation) в мобильной связи происходит примерно раз в десятилетие и никогда не сводится просто к «увеличению скорости интернета». Новое поколение объявляется тогда, когда одновременно меняются четыре базовых компонента сети:

1. Радиоинтерфейс и метод множественного доступа (Air Interface & Multiple Access): как десятки и сотни телефонов в секторе одной базовой станции делят общую радиосреду, не глуша друг друга (частотное разделение FDMA, временное TDMA, кодовое CDMA/WCDMA или ортогональное частотное OFDMA).
2. Архитектура доменов коммутации ядра (Core Network Switching Domains): как переносится трафик внутри сети оператора — по выделенным телефонным каналам с коммутацией каналов (CS — Circuit Switched), по параллельным доменам голоса и пакетов (CS + PS) или по единому пакетному ядру (All-IP PS — Packet Switched).
3. Идентификация и криптографическая безопасность (Identity & Security): где хранится личность абонента (впаяна в корпус телефона или вынесена на съёмный криптопроцессор SIM / USIM / eSIM), шифруется ли радиоэфир и проверяет ли телефон подлинность базовой станции.
4. Набор служб и скорость передачи (Services & Data Rates): от чисто аналогового голоса до коротких сообщений SMS, мобильного доступа в Интернет, голоса поверх IP (VoLTE / VoNR) и сетевого слайсинга для промышленной автоматики.

Давайте последовательно пройдём по всем пяти ступеням этой инженерной лестницы.

1G (1980-е годы): аналоговая сотовая связь (NMT, AMPS, TACS)

Первое поколение мобильной связи доказало саму возможность автоматической сотовой телефонии в движении: территория города впервые была разбита на соты (cells) с повторным использованием частот, а коммутатор научился переключать разговор едущего автомобиля с одной базовой станции на другую (хэндовер — Handover).

Однако внутри 1G оставалась чисто аналоговой радиосистемой:

• Множественный доступ: чистый FDMA (Frequency Division Multiple Access). Каждому телефонному разговору выделялась отдельная узкая радионесущая шириной $25\text{ кГц}$ (в скандинавском стандарте NMT-450 / NMT-900) или $30\text{ кГц}$ (в американском AMPS), на которой голос передавался обычной аналоговой частотной модуляцией (ЧМ / FM) — точно так же, как на УКВ-радиостанции.
• Три фатальных недостатка 1G:
  1. Крайне низкая ёмкость спектра: один приёмопередатчик базовой станции мог вести только один разговор. В крупном городе свободные частоты мгновенно заканчивались.
  2. Полное отсутствие безопасности и SIM-карт: у телефона не было SIM-карты — заводской серийный номер (ESN) передавался в эфир открытым текстом, а сам разговор не шифровался. Любой радиолюбитель со сканером мог слушать чужие переговоры, а злоумышленники перехватывали ESN в эфире и записывали его в «клонированные» трубки, звоня за счёт жертвы.
  3. Несовместимость стандартов (отсутствие международного роуминга): в Скандинавии и СССР/СНГ работал NMT, в Великобритании — TACS, в Германии — C-Netz, во Франции — Radiocom 2000, в США — AMPS. Телефон из одной страны превращался в бесполезный кирпич в соседней.

2G (1991 год): цифровая революция GSM, SIM-карта, SMS и рождение пакетного домена (GPRS/EDGE)

Чтобы покончить с зоопарком несовместимых аналоговых сетей, в 1982 году Европейская конференция администраций почт и электросвязи (CEPT) создала рабочую группу Groupe Spécial Mobile (GSM) (позже расшифрованную как Global System for Mobile Communications и переданную в институт ETSI, а затем в консорциум 3GPP). Первый коммерческий вызов в сети 2G GSM состоялся 1 июля 1991 года в Финляндии (оператор Radiolinja).

Переход от 1G к 2G стал самым фундаментальным скачком в истории мобильной связи:

• Цифровая речь и гибрид FDMA + TDMA: полоса частот (сначала 900 МГц, затем 1800 МГц и 1900 МГц) делится на радионесущие шириной по $200\text{ кГц}$, а каждая несущая делится по времени на 8 таймслотов TDMA длительностью по $576{,}92\text{ мкс}$ (кадр $4{,}615\text{ мс}$). Речь оцифровывается и сжимается вокодером (FR $13\text{ кбит/с}$, EFR $12{,}2\text{ кбит/с}$, AMR $4{,}75\text{–}12{,}2\text{ кбит/с}$), благодаря чему один приёмопередатчик базовой станции обслуживает сразу 8 (а в полускоростном режиме HR — до 16) одновременных разговоров с защитой от помех и перехватов!
• Отделение абонента от железа телефона — изобретение SIM-карты: личность абонента (IMSI по стандарту ITU-T E.212) и секретный 128-битный ключ Ki были вынесены из телефона на защищённую микропроцессорную смарт-карту SIM (Subscriber Identity Module). Это позволило менять телефон за секунды, проверять подлинность абонента алгоритмами A3/A8 и шифровать радиоэфир потоковым шифром A5, а благодаря протоколу MAP (Mobile Application Part) поверх сети ОКС-7 заработал глобальный международный роуминг.
• Служба коротких сообщений SMS: задуманная изначально как служебный механизм доставки текстовых уведомлений до 160 латинских символов (140 байт) по сигнальным каналам радиосети, SMS стала самой массовой цифровой услугой планеты.
• Эволюция к 2.5G (GPRS) и 2.75G (EDGE): в первых версий GSM данные передавались только в режиме коммутации каналов CSD ($9{,}6\text{ кбит/с}$), занимая целый голосовой таймслот. Во второй половине 1990-х годов надстройка GPRS (General Packet Radio Service) добавила в сеть второй, параллельный пакетный домен ядра (PS Core: узлы SGSN и GGSN, протокол туннелирования GTP) со скоростями до $80\text{–}171\text{ кбит/с}$, а технология EDGE (EGPRS) за счёт фазовой модуляции 8PSK (3 бита на символ вместо 1 бита в GMSK) подняла скорость в том же канале $200\text{ кГц}$ до $236\text{–}384\text{ кбит/с}$ (и до $473\text{ кбит/с}$ в пике на 8 таймслотах).

# Расчёт ёмкости радиоспектра (полоса 1 МГц): аналоговый 1G против цифрового 2G GSM
spectrum_capacity_comparison_1mhz:
  1G_amps_analog:
    carrier_bandwidth_khz: 30
    channels_per_carrier: 1
    total_voice_channels_in_1mhz: 33 # 1000 кГц / 30 кГц = 33 аналоговых разговора
  2G_gsm_digital:
    carrier_bandwidth_khz: 200
    carriers_in_1mhz: 5              # 1000 кГц / 200 кГц = 5 несущих ARFCN
    tdma_timeslots_per_carrier: 8
    total_channels_full_rate: 40     # 5 * 8 = 40 полноскоростных каналов (FR/EFR/AMR)
    total_channels_half_rate: 80     # 5 * 16 = 80 полускоростных каналов (HR/AMR-HR)

3G (2001 год): широкополосный доступ UMTS/HSPA, взаимная аутентификация и архитектура R4

К началу 2000-х годов узкой полосы канала GSM ($200\text{ кГц}$) стало физически недостаточно для мобильного веба, электронной почты и мультимедиа. Консорциум 3GPP в спецификациях Release 99 создал стандарт третьего поколения UMTS (Universal Mobile Telecommunications System):

• Широкополосный кодовый доступ WCDMA (Wideband CDMA): вместо нарезки спектра на узкие полоски по $200\text{ кГц}$ и таймслоты, все абоненты сектора 3G передают одновременно в общей широкой полосе $5\text{ МГц}$ (скорость чипов $3{,}84\text{ Мчип/с}$), а их каналы разделяются математически — ортогональными кодами OVSF (Orthogonal Variable Spreading Factor). Поскольку соседние базовые станции (NodeB) работают на одной и той же частоте $5\text{ МГц}$, телефон на границе сот может держать радиосвязь сразу с 2–3 вышками одновременно (мягкий хэндовер — Soft Handover, принцип Make-before-Break).
• Взаимная аутентификация USIM AKA: в 2G GSM только сеть проверяла телефон, но телефон не мог проверить подлинность базовой станции (уязвимость к фальшивым базовым станциям IMSI-catcher). В 3G приложение USIM перешло на протокол UMTS AKA с 5-элементными векторами (квинтетами), где токен AUTN позволяет самому телефону криптографически проверить, что перед ним настоящая сеть родного оператора, а целостность сигнальных сообщений защищена отдельным 128-битным ключом IK.
• Сохранение двухдоменного ядра (CS + PS) и переход к NGN в 3GPP Release 4: новая радиосеть UTRAN (NodeB + контроллер RNC) подключилась сразу к обоим доменам существующего ядра — по интерфейсу Iu-CS к голосовому коммутатору MSC и по интерфейсу Iu-PS к пакетному узлу SGSN. А уже в 3GPP Release 4 (R4) монолитный коммутатор MSC был разделён по принципам NGN на управляющий сервер MSC Server (MSS) и медиашлюз MGW (протоколы BICC / SIP-I и H.248).
• Ускорение до 3.5G HSPA и 3.75G HSPA+: в Release 5–7 технологии HSDPA / HSUPA / HSPA+ перенесли планировщик пакетов и быстрые повторы HARQ из контроллера RNC прямо на базовую станцию NodeB, сократили интервал передачи (TTI) до $2\text{ мс}$ и внедрили модуляцию 16QAM / 64QAM и MIMO, разогнав мобильный интернет с $384\text{ кбит/с}$ до $14{,}4 \rightarrow 21 \rightarrow 42\text{ Мбит/с}$ (и до $84\text{ Мбит/с}$ на двух несущих Dual-Carrier).

4G (2009 год): плоская архитектура LTE / EPC и отказ от домена коммутации каналов (All-IP)

В 3GPP Release 8 (стандарт LTE — Long Term Evolution и пакетное ядро EPC — Evolved Packet Core) произошла самая радикальная архитектурная реформа со времён появления GSM:

• Радиоинтерфейс OFDMA и широкие полосы до 20 МГц: на смену кодовому разделению WCDMA пришёл ортогональный частотный доступ OFDMA в нисходящем канале (и SC-FDMA в восходящем) с гибкой шириной канала от $1{,}4$ до $20\text{ МГц}$ (а с агрегацией несущих Carrier Aggregation в LTE-Advanced — до $100\text{ МГц}$), обеспечивший скорости от $150\text{ Мбит/с}$ до $1\text{ Гбит/с}$ и задержку в радиосети менее $10\text{ мс}$.
• Плоская радиосеть E-UTRAN (без контроллеров BSC/RNC): в 4G полностью упразднили промежуточный узел контроллера базовых станций — вся логика управления радиоресурсами переехала прямо в базовую станцию eNodeB, которая подключается напрямую к ядру EPC по интерфейсу S1.
• Полная ликвидация домена коммутации каналов (CS Domain): в ядре 4G EPC (узлы MME, SGW, PGW и база HSS на протоколе Diameter) остался только пакетный домен (All-IP PS Only)! В LTE физически нет ни коммутаторов MSC, ни выделенных голосовых каналов $64\text{ кбит/с}$. Поэтому для передачи обычного телефонного звонка и SMS в сети 4G используются два пути:
  1. VoLTE (Voice over LTE): голос передаётся как приоритетный IP-поток RTP под управлением мультимедийной подсистемы IMS (IP Multimedia Subsystem) на протоколе SIP.
  2. CSFB (Circuit Switched Fallback): если смартфон, роуминговый партнёр или участок сети не поддерживает VoLTE, то при каждом входящем или исходящем звонке узел MME(4G) по специальному интерфейсу SGs договаривается с классическим MSC/VLR (2G/3G) и приказывает телефону на время разговора «спрыгнуть» из 4G LTE в радиосеть 2G GSM или 3G UMTS!

5G (2019 год): 5G NR, сервисное облачное ядро 5GC (SBA) и шифрование личности в эфире

Пятое поколение (3GPP Release 15+: радиоинтерфейс 5G NR — New Radio и ядро 5GC — 5G Core) спроектировано уже не только для смартфонов, но и для трёх классов задач МСЭ (IMT-2020): сверхширокополосной мобильной связи (eMBB — до $10\text{–}20\text{ Гбит/с}$), сверхнадёжной связи с малой задержкой около $1\text{ мс}$ для промышленности и транспорта (URLLC) и массового интернета вещей (mMTC — до $1\text{ млн}$ устройств на $\text{км}^2$).

• Гибкий радиоинтерфейс 5G NR: OFDMA с масштабируемым шагом поднесущих ($\text{SCS} = 15, 30, 60, 120\text{ кГц}$), работа как в классических диапазонах FR1 (Sub-6 ГГц, полосы до $100\text{ МГц}$), так и в миллиметровом диапазоне FR2 (mmWave $24\text{–}40\text{ ГГц}$, полосы до $400\text{ МГц}$), многоэлементные антенные решётки Massive MIMO с формированием узких лучей (Beamforming).
• Сервисно-ориентированная архитектура ядра (SBA — Service-Based Architecture): в 5GC традиционные телеком-узлы заменены облачными сетевыми функциями (AMF, SMF, UPF, UDM, AUSF, NRF), которые общаются между собой как веб-микросервисы по протоколу HTTP/2 с JSON (REST API), а пользовательская плоскость UPF полностью отделена от управления (CUPS), что позволяет нарезать физическую сеть на изолированные виртуальные слои (Network Slicing).
• Закрытие последней уязвимости идентификации (SUPI → SUCI): в сетях 2G, 3G и даже 4G LTE при самой первой регистрации (когда у телефона ещё нет временного псевдонима TMSI/GUTI) телефон был вынужден один раз передать в радиоэфире свой настоящий постоянный IMSI открытым текстом. В 5G постоянный идентификатор SUPI никогда не передаётся в эфире открыто — карта USIM шифрует его открытым ключом домашнего оператора (схема ECIES) во временный зашифрованный конверт SUCI (Subscription Concealed Identifier).

# Инженерная сводка эволюции мобильных поколений (1G -> 5G)
mobile_generations_audit:
  1G_analog:
    era: "1980-е (NMT-450/900, AMPS, TACS)"
    air_interface: "FDMA (аналоговая ЧМ, канал 25/30 кГц)"
    core_domain: "Только CS (аналоговая коммутация каналов)"
    security: "Отсутствует (нет SIM, открытый радиоэфир)"
  2G_gsm:
    era: "1991+ (3GPP TS 45/23/24/29 серии: GSM, GPRS, EDGE)"
    air_interface: "FDMA + TDMA (несущая 200 кГц = 8 таймслотов), GMSK / 8PSK"
    core_domain: "CS (MSC/VLR, GMSC, HLR, MAP/BSSAP) + 2.5G PS (SGSN, GGSN, GTP)"
    security: "SIM-карта (IMSI, Ki), односторонняя аутентификация A3/A8 (триплеты), шифр A5"
  3G_umts:
    era: "2001+ (3GPP Rel-99..Rel-10: UMTS, HSDPA, HSUPA, HSPA+)"
    air_interface: "WCDMA (полоса 5 МГц, 3.84 Мчип/с, коды OVSF, Soft Handover)"
    core_domain: "Двухдоменное ядро CS (R4 MSC Server + MGW, RANAP) + PS (SGSN + GGSN)"
    security: "USIM, взаимная аутентификация UMTS AKA (квинтеты: RAND, XRES, CK, IK, AUTN)"
  4G_lte:
    era: "2009+ (3GPP Rel-8+: LTE, LTE-Advanced)"
    air_interface: "OFDMA (DL) / SC-FDMA (UL), полоса 1.4..20 МГц (+CA), плоская сеть eNodeB"
    core_domain: "Только All-IP PS (EPC: MME, SGW, PGW, HSS/Diameter); голос = VoLTE (IMS) или CSFB в 2G/3G"
    security: "USIM/ISIM, EPS-AKA, иерархия ключей Kasme"
  5G_nr:
    era: "2019+ (3GPP Rel-15+: 5G NR, 5GC)"
    air_interface: "OFDMA с гибким шагом SCS (Sub-6 ГГц до 100 МГц, mmWave до 400 МГц), Massive MIMO"
    core_domain: "Облачное ядро 5GC (SBA на HTTP/2 + JSON: AMF, SMF, UPF, UDM), Network Slicing, голос = VoNR"
    security: "5G-AKA, шифрование постоянного идентификатора в эфире (SUPI -> SUCI)"

Сравнительная матрица поколений 1G → 5G

Сведём ключевые технические параметры всех пяти поколений в единую инженерную таблицу:

Эволюция ядра: как менялись домены CS и PS

Чтобы понять архитектуру курса gsm, посмотрим, как на протяжении поколений менялось устройство опорной сети (Core Network). Вся история мобильного ядра укладывается в три этапа:

1. Этап 1 — Чистый домен коммутации каналов (CS Only: 1G и ранний 2G GSM начала 1990-х):
   * Вся сеть построена по образу телефонной сети ТфОП/ISDN и сигнализации ОКС-7.
   * Радиоподсистема BSS (BTS + BSC) подключается по интерфейсу A к мобильному коммутатору MSC/VLR, который запрашивает профиль абонента у домашнего регистра HLR/AuC по протоколу MAP и коммутирует голосовые каналы $64\text{ кбит/с}$ во внешнюю сеть по протоколу ISUP.
   * Если абоненту нужно передать данные (факс или модемное соединение CSD $9{,}6\text{ кбит/с}$), под него на всё время сессии резервируется полноценный голосовой канал!
2. Этап 2 — Двухдоменное ядро (Dual-Domain CS + PS: 2.5G GPRS/EDGE и 3G UMTS/HSPA — предмет нашего курса!):
   * Начиная с внедрения GPRS и во всех сетях 3G UMTS, ядро оператора разделяется на два параллельных домена, опирающихся на общую базу абонентов HLR / AuC:
   * Домен коммутации каналов (CS Domain — Circuit Switched): узлы MSC/VLR и GMSC (а в архитектуре 3GPP Release 4 — разделённая пара MSC Server + медиашлюз MGW). Через домен CS идут все голосовые вызовы, запросы USSD (*100#), классические SMS и онлайн-тарификация CAMEL (протокол CAP).
   * Домен коммутации пакетов (PS Domain — Packet Switched): обслуживающий узел SGSN и шлюзовой узел GGSN, связанные IP-туннелями GTP (GPRS Tunnelling Protocol). Через домен PS идёт весь мобильный интернет-трафик (тарифицируемый не поминутно, а по объёму переданных мегабайт!).
   * При этом обе радиосети — и 2G GERAN (BTS + BSC), и 3G UTRAN (NodeB + RNC) — подключены одновременно и к домену CS (интерфейсы A и Iu-CS), и к домену PS (интерфейсы Gb и Iu-PS).
3. Этап 3 — Чисто пакетное ядро (All-IP PS Only: 4G LTE EPC и 5G Core):
   * В 4G и 5G домен коммутации каналов CS из ядра убран полностью — остались только пакетные шлюзы (SGW/PGW в 4G, UPF в 5G) и узлы управления мобильностью (MME в 4G, AMF/SMF в 5G).
   * Голос превратился в одно из IP-приложений поверх комплекса IMS (VoLTE / VoNR), а для связи с классическим миром и обслуживания кнопочных телефонов, роумеров и M2M-устройств ядро 4G по интерфейсу SGs стыкуется с тем самым доменом CS (MSC/VLR) сетей 2G/3G!

💡 Архитектурный вердикт (ответ финансовому директору из задачи урока): Нельзя бездумно выключить ядро 2G/3G (MSC/VLR, HLR/HSS, STP, SMSC, протоколы MAP/CAP), глядя только на долю интернет-трафика в 4G/5G. Пока в сети работают сотни тысяч промышленных M2M-терминалов 2G/3G, пока часть голосовых вызовов смартфонов (особенно в международном роуминге) опирается на откат CSFB через интерфейс SGs в MSC/VLR, а глобальная доставка SMS, USSD и роуминговая сигнализация используют стек MAP поверх SIGTRAN, архитектура 2G/3G остаётся несущим фундаментом операторской сети. Более того, сами принципы 4G и 5G (идентификаторы IMSI/TMSI/LAI, взаимная аутентификация AKA, туннели GTP-U и разделение плоскостей управления и медиа) напрямую унаследованы из 2G GSM и 3G UMTS!

# Аудит зависимостей перед рефармингом спектра 2G/3G (ответ финансовому директору)
refarming_dependency_check:
  m2m_iot_fleet:
    active_devices: 450000
    supported_rat: "Только 2G GSM / GPRS (умные счётчики, POS, eCall)"
    impact_if_2g_shutdown: "Полная потеря связи с 450 000 промышленных объектов"
  smartphone_voice_fallback:
    csfb_share_percent: 35
    interface_to_legacy_core: "SGs (между 4G MME и 2G/3G MSC/VLR)"
    roaming_voice_dependency: "Без VoLTE Roaming все звонки роумеров уходят через CSFB в 2G/3G"
  signaling_and_messaging:
    global_roaming_And_sms: "MAP и CAP поверх SIGTRAN (M3UA/SCTP), HLR/HSS, SMSC, USSD"
    recommended_strategy: "Плавный рефарминг 3G 2100 МГц в 4G/5G с сохранением защитного слоя 2G GSM-900 и ядра CS/MAP"

Вопросы для самопроверки

1. По каким четырём главным инженерным осям (помимо скорости передачи данных) различаются поколения мобильной связи от 1G до 5G?
2. Почему в аналоговых сетях 1G (NMT, AMPS) было невозможно обеспечить защиту от прослушивания и массовый международный роуминг, и какие два нововведения в 2G GSM решили обе эти задачи?
3. В чём состоит принципиальная разница между методом разделения радиоканала в 2G GSM (FDMA + TDMA в полосе $200\text{ кГц}$) и в 3G UMTS (WCDMA в полосе $5\text{ МГц}$)?
4. Зачем в сетях 2.5G GPRS и 3G UMTS ядро оператора разделили на два параллельных домена (CS и PS), какие узлы входят в каждый из них и какой узел остаётся для них общим?
5. Почему смартфон, подключённый к сети 4G LTE, при отсутствии поддержки VoLTE (например, в роуминге) не может совершить обычный голосовой звонок средствами самого ядра EPC и вынужден переключаться в радиосеть 2G/3G по процедуре CSFB?

Краткие выводы

• 1G (1980-е, NMT/AMPS): аналоговая ЧМ-речь с частотным разделением FDMA ($25\text{–}30\text{ кГц}$), без SIM-карт, без шифрования радиоэфира и без передачи данных, но с первыми в истории сотами и автоматическим хэндовером.
• 2G (1991+, GSM / GPRS / EDGE): переход к цифровой речи и гибриду FDMA + TDMA ($8\text{ таймслотов}$ в канале $200\text{ кГц}$), появление SIM-карты (IMSI, ключ Ki), аутентификации A3/A8, шифрования A5, службы SMS, протокола глобального роуминга MAP и рождение параллельного пакетного домена PS Core (SGSN + GGSN, протокол GTP) в 2.5G GPRS / 2.75G EDGE.
• 3G (2001+, UMTS / HSPA+): широкополосный кодовый радиоинтерфейс WCDMA в полосе $5\text{ МГц}$ с мягким хэндовером (Soft Handover), радиосеть UTRAN (NodeB + RNC), взаимная аутентификация телефона и сети USIM AKA (квинтеты с токеном AUTN) и разделение коммутатора в Release 4 на MSC Server + MGW.
• 4G (2009+, LTE / EPC) и 5G (2019+, 5G NR / 5GC): переход на радиоинтерфейс OFDMA, плоскую радиосеть без контроллеров BSC/RNC и чисто пакетное ядро All-IP (EPC и сервисное облачное ядро 5GC SBA) без домена коммутации каналов CS (голос передаётся через IMS VoLTE / VoNR либо откатывается в 2G/3G через CSFB).