Беспроводные сети нового поколения: LTE-A, white space и другие

Беспроводная связь — уникальная технология, вернее, сейчас это уже совокупность технологий. Несмотря на то, что первые виды связи без кабелей начали появляться много десятков лет назад, только недавно она начала использоваться в большом количестве различных вариантов.

И все это продолжает совершенствоваться и развиваться сейчас — благодаря постоянной работе ученых и инженеров.В настоящее время разрабатывается и дорабатывается сразу несколько разновидностей беспроводной передачи данных, которые могут стать очень распространенными уже в недалеком будущем. К примеру, стандарт 802.11с позволит передавать данные со скоростью гигабит в секунду, а технология white space открывает для использования “пустые” частоты, которые ранее были зарезервированы для различных нужд ТВ компаний/военных, но не использовались.

История беспроводной связи

Первые данные, вернее, сигналы, были переданы с использованием азбуки Морзе. Беспроводный телеграф, таким образом, стал на определенное время просто незаменимым видом связи, позволив, к примеру, кораблям сообщать о своем местонахождении и разного рода происшествиях во время пути. Постепенно разрабатывались новые технологии, позволившие использовать различные частоты, и передавать данные более эффективно и на более далекие расстояния, чем раньше.

Но настоящим прорывом для беспроводной передачи данных стало изобретение транзистора, что позволило передавать и принимать данные с высокой эффективностью малыми затратами энергии. Все современные технологии берут свое начало именно с середины 50-х годов 20-го века, когда транзисторная электроника стала становиться все более распространенной. Сейчас стандарты связи типа 802.11ac и LTE объединяют несколько каналов связи разных частот, увеличивая пропускную способность общего канала.

Будущее беспроводной передачи данных

Следующее поколение беспроводной связи получило спецификацию LAN, и должно быть утверждено уже в 2014 году. Оно использует в качестве основы предыдущий тип связи, 802.11 n, который вывел на рынок MIMO (Multiple In, Multiple Out). Использование нескольких трансмиттеров и ресиверов для одного и того же канала связи значительно увеличивает пропускную способность. И благодаря этому такая технология становится все более популярной.

Данный стандарт использует вплоть до четырех параллельных пространственных канала с максимумом в 40 мГц. 802.11ac увеличивает количество используемых каналов до восьми с 80 мГц, опционально — 160 мГц. Кроме того, этот стандарт использует более эффективный способ кодирования данных для передачи. Правда, 802.11ac подошел уже настолько близко к теоретическому лимиту пропускной способности беспроводной передачи данных, что будущие улучшения и доработки делают возможным только увеличение количества используемых одновременно параллельных пространственных каналов.

Так, уже задействуется спектр в 60 ГГц, который становится наиболее распространенным после 802.11b 2.4 ГГц and 802.11a/n/ac 5 ГГц. Что касается MIMO, то здесь пространственные каналы создаются путем формирования луча AAS, или Adaptive Antenna Steering. Отметим, что антенны для приема/передачи данных спектра в 60 ГГц очень малы, их длина — всего пара миллиметров. Так что такие антенны могут быть размещены с высокой степенью плотности. Этот тип беспроводной связи известен как 802.11ad, им занимается Wireless Gigabit Alliance (известный еще как Wireless Alliance). 802.11ad позволяет передавать данные со скоростью 7Gbps, правда, дальность передачи данных — всего 10 метров, и любая стена или окно уже являются препятствием. Так что альтернативой, причем более актуальной, является все же 802.11ac, если говорить о передаче данных на большие расстояния.

Сейчас предел используемого спектра (экспериментальные проекты) — 240 ГГц. Именно этот диапазон использован немецко-американской командой проекта Mililink для передачи данных со скоростью 40Gbps на расстояние свыше километра. Ученые надеются использовать технологию одновременной работы нескольких каналов для достижения предела пропускной способности в терабит. Если проект станет успешным, то такая разновидность беспроводной передачи данных будет использоваться в качестве замены оптоволокну, в определенных масштабах. Правда, такой тип связи очень сильно зависит от погодных условий, особенно, от дождя.

Будущее WAN

Телекоммуникационные компании сейчас довольно активно работают с LTE, типом беспроводной передачи данных, который позволяет достичь пропускной способности в 100Mbps путем использования около 20 разных спекторв частот. Хотя часто в качестве альтернативного термина используется вариант “4G”, это не совсем правильно, поскольку четвертое поколение сотовой связи — это LTE-Advanced, или LTE-A.

Здесь имеется некоторое сходство с технологиями, используемыми стандартом 802.11ac, включая восмиканальный MIMO. LTE-А может обеспечить пропускную способность вплоть до 10Gbps, хоть и основан на “неудачном” стандарте — первом поколении WiMAX.

Сейчас уже разворачиваются сети типа LTE-А, но пока что все это можно назвать тестированием, поскольку до коммерческой реализации еще далеко.

Малые ячейки

Классическая схема использования сотовой сети не предполагает масштабирования в зависимости от нагруженности сети. Выходом из сложившегося положения могут стать “малые ячейки” — общий термин, который используется для нового поколения портативных базовых станций, используемых для увеличения передачи данных в сети, увеличения покрытия голосовой связи и общего «уплотнения» сети.

По сути, это миниатюрные базовые станции, которые могут работать одновременно с 5-250 пользователями. Самый миниатюрный вариант, фемтосоты, сейчас используется для обеспечения связью домохозяйств, в то время, как пикосоты используются в офисах/кампусах.

Само собой, чем больше таких ячеек установлено, тем лучше ситуация с пропускной способностью сети в данном регионе. Сейчас подобные устройства позволяют совмещать 3G, 4G, Wi-Fi и готовятся к внедрению в США в качестве части сетевой инфраструктуры HSPA+.

Правда, использование таких ячеек может быть сопряжено с известными проблемами на правовом поле. Дело в том, что такие базовые станции открыты для всех, и если находится злоумышленник, который использовал предоставленную связь в для взлома/обмана/скачивания пиратских материалов, непонятно, кому в таком случае отвечать. И компаниям приходится нанимать юристов, а не инженеров, для решения подобного рода проблем.

LTE-D

Эта технология передачи данных является комбинированным решением, в основе которого — PAN и WAN. Стандарт использует LTE-совместимые протоколы и частоты, но только для прямого обмена данными устройство-устройств. Каждые 64 миллисекунды устройства с поддержкой LTE-D идентифицируют себя, испуская специальный сигнал. Каждое устройство такого типа все время создает карту, на которой указаны устройства такого же стандарта, которые совместимы с указанным девайсом. После создания карты, такое устройство способно взаимодействовать с “коллегой” через базовую станцию LTE, без необходимости совершать обычные звонки.

White space

White-space — это относительно новый стандарт связи, с официальным названием IEEE 802.22, разработанный в июле 2011 г. Международным институтом инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers). Долгое время в США велись работы по проверке возможности эксплуатации этих частот для введения в работу новых линий скоростного подключения к интернету. Достаточно долго тестировались первые типы сетевой инфраструктуры, и теперь, наконец, началась коммерческая эксплуатация нетронутого ранее спектра.

В настоящее время известен проект “SkyNet” от Google, ставящий своей целью использование White space для обеспечения связью труднодоступных регионов.

Зачем все это нужно?

Автоматизированный транспорт, обменивающийся гигабайтами данных в секунду, “умные дома”, удаленность от стандартных сетей, постоянная нужда во все более скоростных стандартах беспроводной передачи данных — все это приводит к бурному развитию разновидностей беспроводной передачи данных и к совершенствованию уже известных способов.

Сейчас, как никогда, системы беспроводной передачи данных развиваются очень активно и быстро, так что можно ожидать появления и новых стандартов/спецификаций уже в ближайшее время.