Развитие Интернета и мобильных платформ – процессы взаимосвязанные, что теперь почти ни у кого не вызывает сомнения. Мобильность ставит перед технологиями передачи данных новые задачи, которые и обусловливают направления эволюции беспроводной связи: увеличение пропускной способности каналов передачи информации, расширение зоны покрытия беспроводных сетей и появление новых сервисов.
Впрочем, сама по себе беспроводная связь не является новейшей технологией. Радио – одна из первых форм передачи данных «без проводов» - как известно, существует уже более сотни лет. Однако потребность в совершенствовании беспроводной связи всегда была столь велика, что бесчисленное множество ученых, организаций и компаний продолжают вести исследования в этой области и регулярно преподносят нам что-то новое.
Что объединяет все улучшения, которые открывали новые возможности для технологии беспроводной связи в прошлом и безусловно будут поддерживать темпы ее прогресса в будущем? Пожалуй, это важный принцип развития радио-отрасли: поиск способов наиболее рационального использования пространства и времени.
Какие-то из перспективных технологий станут доступны нам уже в ближайшем будущем. Так, разработчики стандарта 802.11ac обещают предоставить пользователям пропускную способность, а говоря проще – скорость беспроводного интерфейса, не менее одного Гигабита в секунду для связи с одной точкой доступа (APU). Технология LTE-A должна соединить две считавшиеся ранее несовместимыми вещи: широкополосную мобильную связь и локальную коммуникацию между устройствами, то есть сделать возможным обмен данными как на локальном уровне, так и на уровне мобильной сети.
Инновации, как надеются специалисты, помогут и разрешить проблему, связанную с технологическим пределом для полосы пропускания сигнала: оптимизация использования радио-спектра – единственное средство, способное разгрузить каналы передачи данных внутри беспроводных сетей. Ну а благодаря постепенному переходу к «терабитным» системам пользователи получат в свое распоряжение совершенно новые возможности для обмена информацией, загрузки или облачного доступа Интернет-контенту, мобильных развлечений и общения.
История беспроводной связи
Чтобы лучше понимать, как устроены современные технологии беспроводной связи, стоит обратиться к их истории, которая берет свое начало в первых попытках установить связь при помощи обмена сообщениями, закодированных азбукой Морзе. Эта, первая беспроводная связь представляла собой, по сути дела, обмен «радио-шумами», производимыми простой электрической искрой и легко смешивающимися с другими сигналами, обнаруживающимися в той же области спектра.
Важным шагом вперед стало внедрение устройств для настройки параметров радио-передачи, которые обеспечили одновременную трансляцию множества сигналов в пределах одного радио-диапазона. Изобретение новых типов антенн означало, что сигналы, подаваемые на одних и тех же частотах, не будут влиять друг на друга, а значит, и на качество передачи. Наконец, использование модуляции частот и амплитуд позволило увеличить объемы информации, переносимые одним сигналом.
Другим определившим дальнейшее развитие всей отрасли микро-электроники, включая и беспроводную связь, прорывом стало создание транзисторов. Начиная с 50-х годов и по наши дни увеличение эффективности и производительности чипов позволяет устройствам обрабатывать больше сигналов, расходуя на это меньше энергии.
На сегодня во всех современных технологиях, вроде уже упомянутых стандартов 802.11ac, LTE, а также 60GHz, применяется комбинирование нескольких каналов на каждой из частот. Одновременная обработка подобных мульти-канальных сигналов – это идеальная задача для новых гига-транзисторных чипов, которые прекрасно справляются с параллельными вычислениями.
All-in-one
Все это хорошо соотносится и с возможностями технологии SDR (Software-Defined Radio, «программное радио»), суть которой заключается в том, что очень быстрые процессоры математически, на уровне программных вычислений обрабатывают сигналы, подобно тому, как это делали электронные схемы в традиционных, аппаратных радио-комплексах.
USPR, Universal Software Radio Peripheral. Мультипротокольное программное радио-устройство
Это означает, что одно SDR-устройство способно работать с несколькими стандартами беспроводной передачи данных – благодаря переключению программ, а это в свою очередь дает основания предполагать, что один SDR-чип сможет одновременно поддерживать три основных класса беспроводной связи: PAN, (Personal-area Networking, «персональная» сеть, объединяющая, как правило, устройства одного пользователя - к примеру, у него в квартире), LAN (Local-area Networking, локальная сеть, в которую входят компьютеры и мобильные гаджеты – например, в офисе какой-либо организации) и WAN (Wide-area Networking, «районная» сеть, отличающаяся от двух предыдущих типов сетей прежде всего большой зоной покрытия).
Будущий стандарт беспроводных локальных сетей
Новое поколение беспроводных локальных сетей общего назначения, по-видимому, войдет в нашу жизнь вместе со стандартом 802.11ac, который, скорее всего, будет окончательно доработан и одобрен к использованию не позднее следующего года. В его основу положены идеи, которые впервые применили при создании его предшественника – широко распространенного сегодня стандарта 802.11n (его поддерживают практически все доступные на массовом рынке мобильные и сетевые устройства).
Главная особенность стандарта 802.11n - это технология MIMO (Multiple In, Multiple Out), ранее в устройствах беспроводной связи, представленных в секторе потребительской электроники, не встречавшаяся. В MIMO-устройствах сразу несколько приемников и передатчиков сигналов работают на одном канале, но с несколькими антеннами. Каждая группа приемников/передатчиков принимает или транслирует сигнал через малые промежутки времени. Таким образом, на одном радиочастоте возникает сразу несколько параллельных каналов передачи данных.
Новая версия стандарта беспроводной связи 802.11 предлагает еще эффективнее использовать радио-диапазон: если предшествующая версия (802.11n) поддерживала до четырех параллельных каналов, которым отводился 40-мегагерцовый диапазон частот, то в 802.11ac число параллельных каналов увеличено до восьми, а минимальное значение диапазона полосы пропускания составит 80 мегагерц – оптимальное значение же окажется в два раза выше, то есть 160 мегагерц (другими словами, здесь мы наблюдаем четырехкратный прирост).
Помимо более полноценного использования технологии MIMO, в стандарте 802.11ac заложены эффективные алгоритмы, обеспечивающие кодирование данных для передачи через радиоканал, хотя и, добиваясь такой эффективности, разработчики приблизились к теоретическому пределу – так-называемому «пределу Шеннона». Как следствие, все последующие улучшения будут основаны уже только на повышении числа трансляционных каналов и расширении их диапазона.
Ярким примером такого подхода является другой перспективный стандарт беспроводной связи - 802.11ad, активно продвигаемый альянсом производителей сетевых устройств и компьютерной техники Wireless Gigabit Alliance и потому часто встречающийся в публикациях под названием WiGig. Отличительная особенность стандарта 802.11ad – это использование частотного диапазона 60 Герц. WiGig, или 60GHz Wi-Fi, вероятно, станет третьей мейнстрим-реализацией Wi-Fi вслед за оригинальной версией 802.11b (2.4GHz) и 802.11a/n/ac (5GHz).
Рекомендованные альянсом спецификации, описывающие будущий стандарт, включают четыре радиоканала для передачи данных, каждый с диапазоном в 2.16 GHz. На уровне MIMO параллельные каналы создаются с помощью метода AAS (Adaptive Antenna Steering), подразумевающего адаптивный метод изменения направленности антенн. 60-гигагерцовые антенны очень малы: их длина не превышает пары миллиметров. Поэтому, с одной стороны, кластеры, состоящие из множества тесно расположенных мини-антенн, легко производить, а с другой – просто управлять направленностью их действия посредством создания динамических плотных радио-пучков, «отслеживающих» перемещающиеся устройства.
Пропускная способность канала передачи данных для 60GHz Wi-Fi, по расчетам разработчиков этого стандарта, достигает 7 Гигабит в секунду (7Gbps) – напомним, что даже «стационарная связь» сейчас обычно ограничена в лучшем случае 1 Гигабитом, а то и 100 Mbps.
Правда, у 802.11ad имеются и слабые стороны: в частности, получить упомянутые 7 Гигабит на практике можно лишь на расстоянии не более 10 метров и если между устройствами нет препятствий в виде стен или окон – в противном случае, скорость обмена данными снизится до значений более «медленного» стандарта 802.11ac (от 450 до 1800 Mbps).
Отметим, что 60GHz – это далеко не предел. На данный момент в экспериментальном режиме эксплуатируются частоты вплоть до 240GHz. Исследователям из знаменитого Института Фраунгофера (Fraunhofer Institute) совместно с коллегами из проекта Millilink удалось наладить канал беспроводной связи с пропускной способностью около 40Gbps между устройствами, которые разделяла километровая дистанция.
Конечно, такие эксперименты проводятся не только из научно-технического интереса, но и преследуют вполне практические цели. По мнению участвовавших в тестировании «дальнобойного» оборудования специалистов, в перспективе высокопроизводительные мультиканальные технологии позволят создавать терабитные беспроводные каналы обмена данными.
Звучит очень заманчиво: не смогут ли эти технологии со временем прийти на смену оптоволоконным сетям, выступив в качестве «последней мили», пролегающей между домами и офисами (то есть потребителями) и электроникой провайдеров (поставщиков мобильной связи)? Чтобы дать утвердительный ответ на этот вопрос, необходимо каким-либо образом защитить трансляцию от негативного воздействия «природных» факторов: сильный дождь способен заметно ухудшить прохождение высокочастотных сигналов.
LTE-Advanced
Мир постепенно осваивает первое поколение технологии LTE, которой – исходя из ее названия, Long-term Evolution - еще предстоит пережить много этапов развития. LTE, работая почти в двух десятках частотных диапазонов в зависимости от страны (каналы 1-40, 700-2600MHz распределены между территориями и регионами от Северной Америки до Новой Зеландии), уже сейчас обеспечивает беспроводную связь на скорости до 100Mbps.
Но, несмотря на что мобильные гаджеты с LTE-модулями нередко позиционируются как 4G-устройства, технологической основой для сетей мобильной широкополосной связи «подлинного» четвертого поколения станет новая реализация LTE, которая называется LTE-Advanced, или LTE-A.
«Продвинутая» версия стандарта LTE позаимствовала множество идей и решений из других перспективных стандартов беспроводной связи: в частности, из стандарта 802.11ac она перенимает принципы параллелизации, на что указывает поддержка восьмиканального интерфейса MIMO, улучшенные методы кодирования сигнала, а также автоматическая настройка и управление частотами и диапазонами полосы пропускания.
Пропускная способность полностью оснащенной базовой станции стандарта LTE-A приблизится к солидному значению: 10 Гигабитам в секунду, которые будут «разделены» на секторы. Есть у LTE-A и черты, унаследованные от неудачного в глобальном плане беспроводного point-to-point стандарта WiMAX.
Некоторые компании уже приступили к разворачиванию сетей мобильной связи в варианте LTE-A, однако многие преимущества этого стандарта пока еще находятся на стадии разработки. Кроме того, нужно позаботиться и о совместимости устройств, поддерживающих LTE-A, с существующей мобильной инфраструктурой.
Small cells
Классическая модель сотовой сети основана на размещении в пределах крупных территорий относительно небольшого количества вышек с антеннами - однако в силу низкой пропускной способности такая сеть не способна удовлетворить спрос на услуги широкополосной мобильной связи, доступной одновременно большому числу людей, сконцентрированному, образно говоря, в одной точке.
Возможным решением этой проблемы может оказаться технология «мелких ячеек» (Small cells). Small cells как общий термин применяется для обозначения трансмиттеров (передатчиков), обслуживающих от 5 до 250 пользователей. Наиболее мелкий вариант – фемтоячейка (femtocell) – предлагают устанавливать в квартирах или небольших домах, чтобы обеспечивать связью одну или несколько семей.
Более производительные ячейки, пикоячейки (picocells), предназначаются для офисов и организаций, а мини- или метроячейки (minicells and metrocells) должны охватывать территорию с целым комплексом зданий. Мелкие ячейки всех типов на «транзитном этапе» (backhaul) объединяются в одну сеть через Интернет, используя уже имеющееся в здании/помещении подключение к Глобальной сети.
На пути реального, повсеместного применения технологии «мелких ячеек» возникает множество преград, причем не только технического, но и коммерческого или политического характера. Для того чтобы сеть заработала в полную силу и могла продемонстрировать высокую пропускную способность, потребуется множество ячеек с доступом к APU, подключенной к Интернету.
Оптимального распределения частот, которое исключило бы взаимное влияние ячеек разных классов, предлагается достигнуть с помощью предварительного сканирования диапазона, через обращение к центральной базе данных частот, а также путем прямого взаимодействия ячеек в рамках архитектуры SON (Self-Organizing Network, «само-организующаяся сеть»).
Но проблемы на этом не заканчиваются. Поскольку мелкие ячейки открыты для использования всеми, кто находится в радиусе их действия, остается не вполне ясным, из чьего кармана будет оплачиваться Интернет-траффик, необходимый для функционирования сети “Small Cells”.
В обычных сотовых сетях, как известно, есть точные списки зарегистрированных номеров, ассоциированных с конкретными пользователями и тарифными планами. Наконец, не лишены оснований и опасения насчет форс-мажорных ситуаций, которые потребуют привлечения уже не инженеров, а юристов, как это не раз бывало в истории беспроводных технологий связи.
LTE-Direct
Стандарт LTE-Direct (LTE-D), который разрабатывается компанией Qualcoom, одним из мировых лидеров в области производства чипов беспроводной связи, подается как гибридная технология: сети, построенные на ее базе, обладают свойствами как «персональных сетей» (PAN), так и «районных сетей» (WAN). LTE-Direct использует совместимые с общими спецификациями LTE протоколы и частоты, но только для связи типа «устройство-устройство» (Device-to-Device communication), то есть для прямой коммуникации между мобильными устройствами.
Через каждые 20 секунд все LTE-Direct устройства за короткую 64-миллисекундную сессию обмениваются информацией о себе и своем статусе в сети. По итогам такого обмена каждое устройство создает регулярно обновляющуюся «карту», в которой есть сведения обо всех доступных устройствах в его зоне действия. Любое устройство в LTE-D сети может устанавливать прямую связь с другим устройством через локальную базовую LTE-станцию - при этом необходимость совершать звонки или иным образом давать знать о себе отпадает.
White space
White space, в отличие от технологий, указанных выше, не является в прямом смысле этого слова стандартом беспроводной связи. Это скорее концепция, в основе которой лежит принцип рационального использования всего высокочастотного радио-спектра. На практике в большинстве эксплуатирующихся диапазонах радиочастот можно найти «свободные» каналы. Их поиском должно заниматься специальное оборудование, анализирующее загруженность широкополосных диапазонов и «подсказывающее» устройствам, какие частоты пригодны для передачи сигналов.
Сторонники концепции «White space» утверждают, что ее воплощение приведет к появлению сетей c эффективной организацией передачи данных, в том числе на значительных дистанциях, и с хорошей пропускной способностью. По существу, стоит рассказать, по крайней мере, об одном возможном варианте применения «White space». Известно, что в окружающем нас пространстве становится все больше устройств и предметов, которые оснащены множеством сенсоров самого разного назначения и должны обмениваться информацией с управляющим ими оборудованием и центральными серверами.
Для такой коммуникации не требуется ни «широкие» каналы, ни точная частотная привязка – для обслуживания подобной техники и электроники сети «White space» оказались бы незаменимы. Впрочем, для «доставки» сигнала в труднодоступные и удаленные районы комитет по стандартам для сетей LAN/MAN продвигает стандарт IEEE 802.22.x, который, действует уже на уровне беспроводных региональных сетей (WRAN, Wireless regional area networking).
«Свободные частоты» для 802.22.x, по мнению специалистов из профильной рабочей группы, необходимо изыскивать в спектре TV- и радиовещания. К тому же, недавно выдвинутая Google инициатива, предлагающая разместить в воздушном пространстве зонды с трансмиттерами для упрощения доступа к Интернету в развивающихся странах, также опирается на концепцию «White space».
3G Transitional
Третье поколение технологий мобильной связи принято считать устаревшим, однако существуют стандарты, которые относятся к «переходным» поколениям – им часто присваиваются индексы вроде 3.5G, 3.75G и даже 3.9G. Если для повсеместного внедрения нового, четвертого поколения понадобится не один год и, в зависимости от базовой технологии, частичная или полная замена оборудования операторов связи и провайдеров мобильных сервисов, то модификации стандартов 3GPP способны предоставить пользователям больше скорости в самом ближайшем будущем.
Основа продвинутых вариантов и стандартов 3G – это технология HSPA (High-speed Packet Access, «высокоскоростной пакетный доступ»). Ее новейшие реализации включают в себя стандарт HSPA+, или HSPA Evolved. HSPA+, в отличие от распространенной сегодня «обычной» версии HPSA, значительно повышает пределы скорости как для входящего соединения (downlink, иными словами, от провайдера к устройству), так и для исходящего соединения (uplink, от устройства к провайдеру): 168 Mbps и 22 Mbps соответственно против 14.4 Mbps и 5.76 Mbps у предшествующей версии.
Столь внушительный рост скорости достигается благодаря использованию уже знакомой нам технологии MIMO, а также объединению нескольких ячеек в одну. Впрочем, стабильность обмена данными на высокой скорости зависит от соблюдения некоторых условий: это либо сокращение дистанции между терминалом (устройством) и станцией провайдера, либо оснащение мобильного устройства MIMO-антеннами или мульти-трансмиттерами – в последнем случае для передачи данных будут задействованы два или несколько параллельных каналов.
В третьем квартале 2013 года ожидается финализация стандарта MC HSPA (Multi Carrier HSPA), который является, по сути дела, самой новой версией третьего поколения мобильной связи - 3GPP Release 11. На оборудовании, поддерживающем этот стандарт, планируют устанавливать до 8 передатчиков (carriers), работающих в четырех непересекающихся радио-диапазонах (4x4 MIMO), что позволит вплотную подойти к возможностям 4G: пиковое значение пропускной способности мульти-канальной версии HSPA может составить 672 Mbit/s.
Заглядывая дальше в будущее
Уже через пару десятилетий особые требования к телекоммуникационной инфраструктуре будут предъявлены тысячами роботизированных автомобилей, летательных аппаратов – и даже военных роботов. Такая связь должна быть крайне надежной и буквально непрерывной.
Сети, обеспечивающие навигацию, а значит и безопасное движение автономного транспорта, необходимо защитить от внешнего случайного или намеренного вмешательства. В тех случаях, когда связь между техникой на больших дистанциях окажется нестабильной, на помощь придут устройства, образующие распределенные и децентрализованные p2p-сети, дублирующие основные каналы коммуникаций.
Чтобы написать здесь комментарий необходимо