Den 22 februari 2022 är AT&T planerad att stänga av sitt 3G-mobilnät. T-Mobile är planerad att stänga av den 1 juli 2022 och Verizon kommer att följa efter den 31 december 2022.

Den stora majoriteten av mobiltelefoner som används fungerar på 4G/LTE-nätverk, och världen har börjat övergå till 5G, men så många som 10 miljoner telefoner i USA är fortfarande beroende av 3G-tjänster. Dessutom är de mobila nätverksfunktionerna på vissa äldre enheter som Kindles, iPads och Chromebooks kopplade till 3G-nätverk. På liknande sätt är vissa äldre internetanslutna system som hemsäkerhet, bilnavigering och underhållningssystem och solpanelsmodem 3G-specifika. Konsumenter kommer att behöva uppgradera eller byta ut dessa system.

Så varför stänger teleoperatörerna av sina 3G-nät? Som elingenjör som studerar trådlös kommunikation kan jag förklara. Svaret börjar med skillnaden mellan 3G och senare tekniker som 4G/LTE och 5G.

Tänk dig en familjeresa. Din make är i telefon och ordnar aktiviteter att göra på destinationen, din tonårsdotter streamar musik och chattar med sina vänner på sin telefon, och hennes yngre syskon spelar ett onlinespel med sina vänner. Alla dessa separata konversationer och dataströmmar kommuniceras över det mobila nätverket, till synes samtidigt. Du tar förmodligen detta för givet, men har du någonsin undrat hur det mobila systemet kan hantera alla dessa aktiviteter samtidigt, från samma bil?

Kommunicera alla dessa meddelanden

Svaret är ett tekniskt knep som kallas multipel åtkomst. Föreställ dig att du använder ett pappersark för att skriva meddelanden till 100 olika vänner, ett privat meddelande för varje person. Multiple access-tekniken som används i 3G-nätverk är som att skriva varje meddelande till var och en av dina vänner med hela pappersarket, så alla meddelanden skrivs ovanpå varandra. Men du har en speciell uppsättning pennor med olika färger som gör att du kan skriva varje meddelande i en unik färg, och var och en av dina vänner har ett speciellt par glasögon som bara avslöjar färgen som är avsedd för den personen.

Antalet färgpennor är dock fast, så om du vill skicka meddelanden till fler personer än antalet färgpennor du har måste du börja blanda färger. Nu när en vän använder sina speciella linser, kommer de att se lite av meddelandena till andra vänner. De kommer inte att se tillräckligt för att läsa de andra meddelandena, men överlappningen kan räcka för att det meddelande som är avsett för dem suddas ut, vilket gör det svårare att läsa.

Multiple Access-tekniken som används av 3G-nätverk kallas Code Division Multiple Access, eller CDMA. Den uppfanns av Qualcomms grundare Irwin M. Jacobs tillsammans med flera andra framstående elingenjörer. Tekniken bygger på konceptet spritt spektrum, en idé som kan spåras tillbaka till tidigt 1900-tal. Jacobs uppsats från 1991 visade att CDMA kan öka den cellulära kapaciteten många gånger jämfört med system vid den tiden.

CDMA låter alla mobilanvändare skicka och ta emot sina signaler hela tiden och över alla frekvenser. Så om 100 användare vill initiera ett samtal eller använda en mobiltjänst vid ungefär samma tidpunkt, kommer deras 100 signaler att överlappa varandra över hela det cellulära spektrumet under hela tiden de kommunicerar.

De överlappande signalerna skapar störningar. CDMA löser störningsproblemet genom att låta varje användare ha en unik signatur:en kodsekvens som kan användas för att återställa varje användares signal. Koden motsvarar färgen i vår pappersanalogi. Om det finns för många användare på systemet samtidigt kan koderna överlappa varandra. Detta leder till störningar, som blir värre när antalet användare ökar.

Skivor av tid och spektrum

Istället för att tillåta användare att dela hela det cellulära spektrumet hela tiden, delar andra fleråtkomsttekniker åtkomst efter tid eller frekvens. Uppdelning över tid skapar tidsluckor. Varje anslutning kan pågå över flera tidsluckor utspridda i tiden, men varje tidslucka är så kort – en fråga om millisekunder – att mobiltelefonanvändaren inte uppfattar avbrotten från alternerande tidsluckor. Anslutningen verkar vara kontinuerlig. Denna tidsdelningsteknik är tidsdelningsmultipelåtkomst (TDMA).

Uppdelningen kan också göras i frekvens. Varje anslutning får sitt eget frekvensband inom cellspektrumet, och anslutningen är kontinuerlig under dess varaktighet. Denna frekvensskärningsteknik är Frequency Division Multiple Access (FDMA).

I vår pappersanalogi är FDMA och TDMA som att dela upp papperet i 100 remsor i båda dimensionerna och skriva varje privat meddelande på en remsa. FDMA skulle till exempel vara horisontella remsor och TDMA skulle vara vertikala remsor. Med individuella remsor separeras alla meddelanden.

4G/LTE- och 5G-nätverk använder Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), en mycket effektiv kombination av FDMA och TDMA. I pappersanalogin är OFDMA som att rita remsor längs båda dimensionerna, dela upp hela papperet i många rutor och tilldela varje användare en annan uppsättning rutor enligt deras databehov.

Slut på linjen för 3G

Nu har du en grundläggande förståelse för skillnaden mellan 3G och senare 4G/LTE och 5G. Du kan fortfarande rimligen fråga varför 3G måste stängas av. Det visar sig att på grund av dessa skillnader i åtkomsttekniken är de två nätverken byggda med helt olika utrustning och algoritmer.

3G-telefoner och basstationer fungerar på ett bredbandssystem, vilket innebär att de använder hela cellspektrumet. 4G/LTE och 5G fungerar på smalbandiga eller multi-carrier system, som använder delar av spektrumet. Dessa två system behöver helt olika uppsättningar av hårdvara, från antennen på mobiltornet ner till komponenterna i din telefon.

Så om din telefon är en 3G-telefon kan den inte ansluta till ett 4G/LTE- eller 5G-torn. Under en lång tid har leverantörerna av mobiltjänster hållit igång sina 3G-nätverk samtidigt som de byggt ett helt separat nätverk med ny tornutrustning och servar nya telefoner med 4G/LTE och 5G. Tänk dig att stå för kostnaden för att driva två separata nätverk samtidigt för samma ändamål. Till slut måste man gå. Och nu, när operatörerna börjar distribuera 5G-system på allvar, är det dags för 3G.