Будущее беспроводных технологий

Электроника лежит в основе практически всей коммуникации. Все началось с изобретения телеграфа в 1845 году, за ним в 1876 году последовал телефон. Связь постоянно совершенствовалась, а прогресс в электронике, который произошел совсем недавно, заложил новый этап в развитие коммуникаций. Сегодня беспроводная связь вышла на новый уровень и уверенно заняла доминирующую часть рынка связи. И ожидается новый рост сектора беспроводной коммуникации благодаря развивающейся сотовой инфраструктуре, а также современным технологиям, таким как Интернет Вещей (IoT). В данной статье мы рассмотрим наиболее перспективные технологии на ближайшее время.

Состояние 4G

4G в переводе с английского означает долговременную эволюцию (Long Term Evolution (LTE). LTE – это технология OFDM, которая на сегодняшний день является доминирующей структурой сотовой системы связи. Системы 2G и 3G все еще существуют, хотя внедрение 4G началась в 2011 – 2012 годах. Сегодня LTE в основном реализуется крупнейшими операторами в США, Азии и Европе. Его развертывание еще не завершено. LTE получила огромную популярность у владельцев смартфонов, так как высокая скорость передачи данных открыла такие возможности, как потоковая передача видео для эффективного просмотра фильмов. Тем не менее, все не так идеально.

Хотя LTE обещал скорость загрузки до 100 Мбит / с, это не было достигнуто на практике. Скорости до 40 или 50 Мбит / с могут быть достигнуты, но только при особых условиях. При минимальном количестве подключений и минимальном траффике такие скорости очень редко могут достигаться. Наиболее вероятные скорости передачи данных находятся в диапазонах 10 – 15 Мбит / с. В пиковые часы скорость проседает до нескольких Мбит / с. Конечно, это не делает реализацию 4G провальной затеей, это означает, что пока его потенциал реализован не полностью.

Одной из причин, почему 4G не обеспечивает заявленную скорость – слишком большое количество потребителей. При слишком интенсивном его использовании скорость передачи данных существенно снижается.

Однако, существует надежда, что это удастся исправить. Большинство операторов, предоставляющих услуги 4G, еще не реализовали технологию LTE-Advanced, усовершенствование, которое обещает повысить скорость передачи информации. LTE-Advanced использует «объединение несущих» (carrier aggregation (CA)) для увеличения скорости. «Объединение несущих» подразумевает объединение стандартной полосы пропускания LTE до 20 МГц в 40 МГц, 80 МГц или 100 МГц части, для повышения пропускной способности. LTE-Advanced также имеет конфигурацию MIMO 8 x 8. Поддержка этой функции открывает потенциал для увеличения скорости обмена данными до 1 Гбит/с.

Беспроводная связь и ее перспективы

LTE-CA известно еще как LTE-Advanced Pro или 4.5G LTE. Эти сочетания технологий определенны группой разработки стандартов 3GPP в версии 13. Она включает в себя агрегацию операторов, а также лицензионный доступ с поддержкой (LAA), метод, который использует LTE в нелицензированном Wi-Fi-спектре 5 ГГц. Он также развертывает агрегацию каналов LTE-Wi-Fi (LWA) и двойное подключение, позволяя смартфону «разговаривать» одновременно с узлом небольшой точки доступа, и точкой доступа Wi-Fi. В данной реализации слишком много деталей, которые мы не будем рассматривать, но общая цель — продлить срок службы LTE за счет снижения задержки и увеличения скорости передачи данных до 1 Гбит / с.

Но это не все. LTE сможет обеспечить более высокую производительность, так как операторы начинают упрощать свою стратегию небольшими ячейками, обеспечивая более высокую скорость передачи данных для большего числа абонентов. Маленькие ячейки — это просто миниатюрные сотовые базовые станции, которые могут быть установлены где угодно для заполнения пробелов охвата макроячейки, добавляя, где это необходимо, производительность.

Еще одним способом повышения производительности является использование Wi-Fi. Этот метод обеспечивает быструю загрузку в ближайшую точку доступа Wi-Fi, когда она доступна. Лишь несколько операторов сделали это доступным, но большинство из них рассматривают усовершенствование LTE под названием LTE-U (U для нелицензионного (unlicensed)). Это метод, аналогичный LAA, который использует нелицензированный диапазон 5 ГГц для быстрой загрузки, когда сеть не может справиться с нагрузкой. Это создает конфликт спектра с последней версией Wi-Fi 802.11ac, которая использует диапазон 5 ГГц. Для реализации этого были разработаны определенные компромиссы.

Как мы видим, потенциал 4G все еще не раскрыт до конца. В ближайшие годы будут внедрены все или большинство из перечисленных усовершенствований. Стоит отметить и то, что производители смартфонов также внесут изменение в аппаратное или программное обеспечения для усовершенствования работы LTE. Данные улучшение, скорее всего, произойдут тогда, когда начнется массовое внедрение стандарта 5G.

Открытие 5G

Как такового 5G пока нет. Так, что громкие заявление об «абсолютно новом стандарте способном изменить подход к беспроводной передаче информации» пока рано. Хотя, некоторые поставщики интернет услуг уже начинают споры, кто же первым внедрит стандарт 5G. Но стоит вспомнить спор недавних лет о 4G. Ведь реального 4G (LTE-A) еще нет. Тем не менее, работа над 5G идет полным ходом.

«Проект партнерства третьего поколения» (3GPP) работает над стандартом 5G, который, как ожидается, будет внедрен в ближайшие годы. Международный союз электросвязи (ITU), который будет «благословлять» и администрировать стандарт, заявляет, что окончательно 5G должен стать доступен к 2020 году. Тем не менее, некоторые ранние версии стандарта 5G все же будут появляться в конкурентной борьбе провайдеров. Некоторые требования 5G появятся уже в 2017 – 2018 годах в той или иной формах. Полное внедрение 5G будет задачей далеко не из легких. Такая система будет одной из самых сложных, если не самой сложной, из беспроводных сетей. Полное ее развертывание  ожидается к 2022 году.

Основанием внедрения 5G является преодоление ограничений 4G и добавление возможностей для новых приложений. Ограничения 4G — это в основном пропускная способность абонента и ограниченные скорости передачи данных. Сети сотовой связи уже перешли от голосовых технологий к центрам данных, но необходимы дальнейшие улучшения производительности в будущем.

Более того, ожидается бум новых приложений. К ним относят видео HD 4K, виртуальную реальность, интернет вещей (IoT), а также использование структуры «машина-машина» (М2М). Многие по-прежнему прогнозируют от 20 до 50 миллиардов устройств онлайн, многие из которых будут подключаться к сети интернет через сотовую связь. В то время, как большинство устройств IoT и M2M работают на низких скоростях передачи данных, то для работы с потоковыми данными (видео) необходима высокая скорость интернет. Другими потенциальными приложениями, которые будут использовать стандарт 5G, могут стать умные города и средства связи для обеспечения безопасности автомобильного транспорта.

5G, вероятно, будет более революционным, чем эволюционным. Это будет связано с созданием новой сетевой архитектуры, которая будет накладываться  на сеть 4G. Новая сеть будет использовать распределенные мелкие ячейки с волоконным или миллиметровым обратным каналом, а также будет экономной, энергонезависимой и легко масштабируемой. Кроме того, в сетях 5G будет больше программного, чем аппаратного обеспечения. Также будет использоваться программная сеть (SDN), виртуализацию сетевых функций (NFV), методы самоорганизующейся сети (SON).

Также имеется еще несколько ключевых особенностей:

  • Использование миллиметровых волн. В первых версиях 5G могут использоваться полосы в 3,5 ГГц и 5 ГГц. Также рассматриваются варианты частот от 14 ГГц до 79 ГГц. Окончательный вариант пока выбран не был, однако FCC заявляет, что выбор буден сделан в ближайшее время. Тестирование ведется на частотах 24, 28, 37 и 73 ГГц.
  • Рассматриваются новые схемы модуляции. Большинство из них – это некоторые вариант OFDM. Две или более схем могут быть определены в стандарте для различных приложений.
  • Несколько входов с несколькими выходами (MIMO) будут включены в некоторую форму для расширения диапазона, скорости передачи данных и надежности связи.
  • Антенны будут иметь фазированные решетки с адаптивным формированием луча и управлением.
  • Более низкая латентность — главная цель. Менее 5 мс задано, но менее 1 мс является целью.
  • Скорости передачи данных от 1 Гбит / с до 10 Гбит / с ожидаются в полосах пропускания 500 МГц или 1 ГГц.
  • Микросхемы будут изготавливаться из арсенида галлия, кремния-германия и некоторых КМОП.

Одной из самых больших проблем во внедрении 5G ожидается интеграция данного стандарта в мобильные телефоны. В современных смартфонах и так полным-полно различных передатчиков и приемников, а с 5G они станут еще сложнее. Нужна ли такая интеграция?

Путь развития Wi-Fi

Наряду с сотовой связью находится одна из наиболее популярных беспроводных сетей – Wi-Fi. Как и Ethernet, Wi-Fi является одной из наших любимых «утилит». Мы рассчитываем на подключение к сети Wi-Fi практически в любом месте, и в большинстве случаев мы получаем доступ. Как и большинство популярных беспроводных технологий, он постоянно находится в стадии разработки. Последняя выпущенная версия называется 802.11ac и обеспечивает скорость до 1,3 Гбит / с в нелицензированной полосе частот 5 ГГц. Также идет поиск приложений для стандарта 802.11ad со сверхвысокой частотой 60 ГГц (57-64 ГГц). Это проверенная и экономически эффективная технология, но кому нужны скорости от 3 до 7 Гбит / с на расстоянии до 10 метров?

На данный момент существует несколько проектов развития стандарта 802.11. Вот несколько из основных:

  • 11af — это версия Wi-Fi в белых полосах телевизионного диапазона (54 до 695 МГц). Данные передаются в локальных полосах пропускания 6- (или 8) МГц, которые не заняты. Возможна скорость передачи данных до 26 Мбит/с . Иногда его называют White-Fi, а главная привлекательность 11af заключается в том, что возможный радиус действия на низких частотах составляет много километров и отсутствие прямой видимости (NLOS) (работа только на открытых площадях). Эта версия Wi-Fi еще не используется, но имеет потенциал для приложений IoT.
  • 11ah — обозначенный как HaLow, является еще одним вариантом Wi-Fi, который использует нелицензированный диапазон ISM 902-928 МГц. Это маломощная низкоскоростная (сотни кбит / с) служба с дальностью до километра. Целью является применение в IoT.
  • 11ax — 11ax — это обновление до 11ac. Его можно использовать в диапазонах 2,4 и 5 ГГц, но, скорее всего, он будет работать в полосе частот 5 ГГц исключительно для использования полосы пропускания 80 или 160 МГц. Ожидается, что наряду с 4 x 4 MIMO и OFDA / OFDMA, ожидается пиковая скорость передачи данных до 10 Гбит / с. Окончательной ратификации не будет до 2019 года, хотя предварительные версии, вероятно, будут полными.
  • 11ay — это расширение стандарта 11ad. Он будет использовать полосу частот 60 ГГц, а целью является, по меньшей мере, скорость передачи данных 20 Гбит / с. Еще одна цель — расширить дальность до 100 метров, чтобы иметь больше приложений, таких как обратный трафик для других услуг. Выход этого стандарта не ожидается в 2017 году.

Беспроводные сети для IoT и М2М

Беспроводная связь, безусловно, является будущим интернет вещей (IoT) и межмашинных связей (Machine-to-Machine, M2M). Хотя проводные решения тоже не исключаются, но стремление к беспроводной связи все же является предпочтительней.

Типичным для устройств интернет вещей является небольшое расстояние действия, малая потребляемая мощность, небольшая скорость обмена данными, питания от аккумулятора или батареи с датчиком, как показано на рисунке ниже:

Структурная схема стандартного устройства IoT

Альтернативой может стать какой-то удаленный исполнительный механизм, как показано на рисунке ниже:

Схема IoT с комбинированным исполнительным механизмом

Или же возможна комбинация этих двух устройств. Оба, как правило, подключаются к интернету через беспроводной шлюз, но также могут подключаться и через смартфон. Соединение со шлюзом также беспроводное. Вопрос в другом, какой беспроводной стандарт  будет использоваться?

Очевидным выбором становится Wi-Fi, так как трудно представить себе место, где его нет. Но для некоторых приложений он будет излишен, а для некоторых слишком энергоемок. Bluetooth – еще один неплохой вариант, особенно его версия с низким энергопотреблением (BLE). Новые дополнения к сети и шлюзу Bluetooth делают его еще более привлекательным. ZigBee — еще одна готовая и ожидающая альтернатива, и не забываем о Z-Wave. Так же есть несколько вариантов 802.15.4, например 6LoWPAN.

Добавьте к ним новейшие варианты, являющиеся частью энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия (Low Power Wide Area Networks (LPWAN)). Эти новые беспроводные варианты предлагают сетевые соединения большей дальности, что обычно невозможно при использовании традиционных технологий, упомянутых выше. Большинство из них работают в нелицензируемом спектре ниже 1 ГГц. Некоторые из новейших конкурентов для приложений IoT:

  • LoRa — изобретение Semtech и поддерживается Link Labs. Эта технология использует линейную частотную модуляцию (ЛЧМ) при низкой скорости передачи данных, чтобы получить диапазон до 2-15 км.
  • Sigfox — французская разработка, использующая ультра узкополосную схему модуляции при низкой скорости передачи данных для отправки коротких сообщений.
  • Weightless – использует телевизионные белые пространства с методами когнитивного радио для более длинных диапазонов и скорости передачи данных до 16 Мбит / с.
  • Nwave — это похоже на Sigfox, но на данный момент нам не удалось собрать достаточно информации.
  • Ingenu — в отличие от других, этот использует диапазон 2,4 ГГц и уникальную схему множественного доступа с произвольной фазой.
  • Halow — это 802.11ah Wi-Fi, описан выше.
  • White-Fi — это 802.11af, описан выше.

Cellular определенно является альтернативой IoT, поскольку является основой межмашинных связей (М2М) уже более 10 лет. Межмашинные связи используют в основном 2G и 3G беспроводные модули для мониторинга удаленных машин. В то время, как 2G (GSM) в конечном счете будет постепенно сокращаться, 3G все еще будет «жить».

Теперь доступен новый стандарт: LTE. В частности, он называется LTE-M и использует сокращенную версию LTE в полосе пропускания 1,4 МГц. Другая версия NB-LTE-M использует полосу пропускания 200 кГц для работы с более низкой скоростью. Все эти варианты смогут использовать существующие сети LTE с обновленным программным обеспечением. Модули и чипы для LTE-M уже доступны, как и на устройствах Sequans Communications.

Одна из самых больших проблем интернет вещей – отсутствие единого стандарта. И в ближайшее время, скорее всего, он не появится. Возможно, в будущем, появится несколько стандартов, только как скоро?

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *