Широкополосные системы беспроводного доступа: инновации и экономика

Особенностью развития современных широкополосных беспроводных сетей есть разнообразие технологий радиодоступа и увеличение числа мультистандартных абонентских устройств позволяют интегрировать разные технологии в единую сеть, т.е. сформировать гетерогенную (неоднородную) беспроводную сеть.

Такая сеть будет состоять из сегментов разных технологий радиодоступа, зоны покрытия, которых накладываются. Это позволит увеличить пропускную способность сети и расширить зону её покрытия, а для пользователей предоставлять услуги по более низкой цене и с наилучшим качеством. И они будут состоять из конвергентной опорной сети и из нескольких сетей беспроводного доступа для предоставления услуг на IP основе (в том числе голоса, видео, мультимедиа и данных) для многомодовых МД во время движения между различными технологиями доступа и роуминга между различными сетями операторов.

Для повышения эффективности работы гетерогенных сетей чрезвычайно важны механизмы динамического перераспределения ресурсов — между различными частотными диапазонами, технологиями и территориальными зонами. Например, как известно, нагрузка меняется в зависимости от времени суток и зоны обслуживания. Соответственно ресурсы желательно перераспределять между контроллерами, обслуживающими разные зоны. Подобная «эластичность» также будет чрезвычайно полезна по мере того, как нагрузка на сети предыдущих поколений, например 2G, станет снижаться, тогда как новые системы (LTE) будут задействованы все больше и больше. Такую задачу помогут решат также мобильные ad-hoc сети (сенсорные сети, mech-сети, сети MANET). Беспроводные сенсорные сети – это сети, состоящие из пространственно распределенных автономных устройств, использующих сенсоры для совместного контроля физического состояния и условий окружающей среды.

Сегодня значительное ускорение темпов роста мирового рынка телекомму­никационных услуг проис­ходит в первую очередь за счет уве­личения спроса на услуги сотовой связи и быстрого развития Интернета. Причинами столь быстрого увеличения темпов роста услуг сотовой связи являются не столько общее увеличение населения в мире и рост его доходов, сколько бурное развитие научно-техни­ческого прогресса, серьезные социально-экономические изменения общества. Мобильная связь дает импульс к росту всей мировой экономики и способствует формированию новых тенденций ее развития и рынок услуг сотовой связи один из динамично развивающихся секторов в мировой экономики. Благодаря Интернету развивается малый бизнес, электронная коммерция, растет производительность труда и эффективность бизнес – процессов предприятий, решаются вопросы энергосбережения и безопасности, медицины и образования.

Проведенные ведущими аналитиками исследования ИКТ позволили выявить характерную зависимость: чем выше уровень ШПД, тем больше вклад в ВВП страны. На рис. 1 показаны три группы стран: с низким проникновением ШПД – вклад в ВВП составляет 0,8%; со средним – 1,4%; с высоким – 2,3%.

Главной стратегией на сегодняшний день у операторов сотовой связи является увеличение темпов роста дохода за счет предоставления услуг с добавленной стоимостью, которые в свою очередь требуют увеличение пропускной способности канала связи.

На данный момент, мобильный доступ, используемый в основном как дополнение к фиксированному доступу к глобальной сети, находит все больший спрос, а снижение цен на  мобильный  Интернет делает использование мобильного доступа все более привлекательным для пользователя. Процесс полностью аналогичен тому, как некоторое время назад мобильная связь дополнила стационарную и со временем заняла свою рыночную нишу.

Одной из наиболее стремительно развивающихся услуг является мобильный Интернет и доля доходов от мобильного интернета в структуре доходов услуг неуклонно растет. Основным источником роста доходов от мобильного интернета является развитие сетей третьего поколения (3G) и продажи смартфонов, планшетов, USB-модемов и других устройств, позволяющих получить доступ к мобильному интернету (рис.2).

Рис.2. Рост объема трафика данных в сетях мобильной связи

На сегодняшний день операторы мобильной связи по всему миру фиксируют резкий рост объемов передаваемых данных, который во многом обусловлен набирающей обороты популярностью смартфонов и планшетных компьютеров, обеспечивающих удобный доступ ко всем новым приложениям и сервисам (рис.3).

Рис. 3. Динамика подключения через смартфоны, ПК, мобильные роутеры и планшеты, прогноз на 2009—2018 г.г.

По прогнозу Bell Labs, трафик данных в мобильных сетях за пять лет — с 2010 по 2015 г. — вырастет в 30 раз. Во многих странах мира число абонентов мобильного доступа уже превысило количество абонентов фиксированного доступа. Динамика развития мобильного и фиксированного широкополосного доступа, а также мобильных подключений в целом и посредством планшетов и роутеров представлена рис.4.

Рис.4  Динамика подключения к сетям фиксированного и мобильного широкополосного доступа, прогноз на 2009-2020 г.г.

Такая динамика объясняется несколькими факторами:

• Во-первых, ростом мобилизации абонентов за счет развития рынка смарфонов, планшетов.
• Во-вторых, изменением подхода поставщиков услуг Интернет к разработке онлайн-приложений для абонентов.

На  рисунке 5 показаны темпы продаж настольных и портативных компьютеров в сравнении с продажами смартфонов и планшетов.

Рис.5  Темпы продаж настольных и портативных компьютеров в сравнении с продажами смартфонов и планшетов

По прогнозам, в период с 2013 по 2019 г. среднегодовые темпы прироста мобильного трафика составят примерно 45%, в результате к концу 2019 г. его объем увеличится в 10 раз. Согласно тем же прогнозам, объем трафика в сетях фиксированной связи растет значительно медленнее, чем в сетях мобильной. Его среднегодовые темпы прироста в период с 2013 по 2019 г. составят примерно 25%. Тем не менее, в абсолютном выражении через сети фиксированной связи передается больше трафика, чем через сотовые. В 2013 г. на мобильный трафик данных приходилось всего 5% общего объема трафика, передаваемого по проводным и беспроводным сетям, и даже к 2019 г. этот показатель вырастет лишь до 12%.

Кроме того, в результате развития технически больших сенсорных экранов и технологий построения мобильных сайтов, операторы фиксированного широкополосного доступа потеряли второе преимущество – удобная и быстрая работа Web-приложений на настольных компьютерах. Еще одной важной особенностью мобильного Интернета стало активное появление мобильных приложений – специальных программных продуктов для планшетов и других интеллектуальных устройств, которые позволили более удобно иметь доступ к информации, по сравнению с Web-приложений.

Внедрение широкополосных сетей беспроводного доступа оказывает одновременно существенное влияние на экономическое развитие страны следующим образом:

• увеличение пользователей на одну тысячу – создание новых 80 рабочих мест;
• увеличение на 10% проникновения широкополосных сетей беспроводного доступа – увеличение ВВП на 1%;
• увеличение в два раза скорости передачи данных в широкополосных сетей беспроводного доступа – увеличение ВВП на 0,3%;
• увеличение на 1% проникновения широкополосных сетей беспроводного доступа – увеличение на 3,5% регистраций нового бизнеса.

Кроме того, среди экономических аспектов влияния развития беспроводных широкополосных систем связи необходимо отметить следующее:

• по оценкам экспертов, вклад мобильной связи в мировую экономику достиг 3,6% общего мирового ВВП, вложения в отрасль составили в прошлом году 336 млрд долларов, было создано 10,5 млн рабочих мест;
• согласно оценке американских экономистов, предоставление дополнительных полос частот для развития мобильных систем связи в США позволит создать 150 тыс. рабочих мест и до 2021 г. за счет дополнительных налогов принесет в казну $ 4,5 млрд.
• в настоящее время рынок мобильной рекламы характеризуется ростом числа успешных рекламных кампаний, высокой активностью компаний, заключающейся в большом числе слияний, поглощений, приобретений и разработке новых проектов. Согласно прогнозам аналитиков компании доходы от мобильной рекламы в 2015 году достигнут 24 млрд. долл.

Данные состояния развития мирового рынка мобильных телекоммуникаций

1. Общее число абонентов мобильной связи на начало 2015 г. оценивалось в 3,9 млрд человек, создающих 6,9 млрд соединений. Количество широкополосных мобильных соединений – 2,4 млрдю
2. К 2020 г., по прогнозам, общее число абонентов в мире достигнет 6,1 млрд, из них 3,1 млрд – абоненты сетей LTE и 2,3 млрд – абоненты сетей HSPA.
3. Общий объем видеотрафика, который будет передан по сетям 3G/4G за пять лет, с 2015 по 2020 г., вырастет до 440 Экзабайт.

Широкополосные сети радиодоступа нового поколения

Проблема повышения пропускной способности систем сотовой радиосвязи привела к созданию, так называемых, сотовых систем четвёртого поколения (4G). В отличие от сотовых систем предыдущего третьего поколения (3G), изначально ориентированных только на передачу голосовых данных, т.е. на мобильную телефонию, системы связи 4G ориентированы на универсальную (пакетную) передачу данных любого типа. Также, для повышения скорости и надёжности передачи информации одновременно большому числу абонентов, в системах 4G применяется технология множественного доступа с ортогональным частотным разделением OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) и пространственно-временная обработка сигналов на многоэлементных приёмно-передающих адаптивных антенных решётках (MIMO, от англ. Multiple Input — Multiple Output, что означает систему связи со многими антеннами на передатчике, т.е. на входе канала связи, и многими антеннами на приёмнике, т.е. на выходе канала связи). Таким образом, принципиальным отличием систем сотовой радиосвязи четвёртого поколения является применение MIMO-OFDMA технологии. В качестве примера MIMO-OFDMA системы связи можно привести развёрнутую универсальную систему наземного радиодоступа E-UTRA (Evolved Universal Terrestrial Radio Access) Release-10/11, известную под названием Long Term Evolution —Advanced (LTE-A), а также сотовую  систему радиосвязи WirelessMAN-Advanced (стандарт IEEE 802.16m, известный как WiMAX-Advanced).

Стандарт LTE основан на применении технологии ортогонального частотного разделения каналов (OFDM — Orthogonal Frequency Division Multiplexing). Ключевыми характеристиками стандарта являются: возможность передачи данных на больших скоростях (целевое значение 1 Гбит/с для нисходящего направления), возможность работы с абонентами, передвигающимися на скорости до 350 км/ч, возможность масштабирования полосы сигнала (1.4, 3, 5, 15, 15, 20 МГц), с 10 релиза поддерживается агрегация до 5 несущих, что предоставляет возможность создания системы с полосой сигнала в 100 МГц и т.д. Эти особенности делают стандарт LTE перспективным направлением развития систем мобильной связи, а исследования данной области актуальными и востребованными.

При разработке систем 4-го поколения преследовались следующие цели (рис.6):

1. Максимально эффективное использование ограниченного радиочастотного ресурса.
2. Плоская all-IP архитектура сети, которая существенно снижает стоимость передачи за мегабайт данных.
3. Новый радиоинтерфейс с новыми технологиями передачи.

Рис.6 Технические аспекты перехода от мобильных сетей 3G к сетям 4G

Базовая архитектура состоит из пакетного ядра сети и сети радиодоступа.

Согласно данным Всемирного мобильного конгресса 2015 года в мире работают 364 коммерческие сети LTE в диапазонах 700 и 800 МГц, 1800 МГц; 2,3 и 3,5 ГГц и к настоящему времени более 30% абонентов LTE на территории США и почти столько же – Китай (рис. 7).

Рис. 7. Динамика роста мобильных сетей LTE

Сейчас объем трафика видеоуслуг составляет, по оценкам операторов, от 66 до 75% общего объема трафика в сетях 4G, включая 33% на услуги YouTube и 34% — чистое видео, а также видеонаблюдение (Video Surviliance) в сетях М2М. Кроме того, до 2020 г. количество M2M -подключений в сетях мобильных операторов будет расти с показателем CAGR = 45% и достигнет 2,1 млрд. соединений. С учётом растущей массовости (Massive M2M) услуги M2M тоже будут превалировать над базовыми голосовыми услугами в сетях 4G и 5G. Прогнозы показывают, что ежегодные доходы от оказания услуг М2М в сегменте коммунальных услуг достигнут своего пика в 2017 году – 28 млрд. Евро. Повышение спектральной эффективности в сетях 5G в 2-3 раза по сравнению с сетями 4 G может быть достигнуто за счет применения неортогональных методов доступа и неортогональных сигналов.

В конце сентября 2015 года Европейский союз объявил о достижении важного соглашения с Китаем, которое позволит ускорить разработку и стандартизацию технологий для мобильных сетей пятого поколения. Стороны намерены осуществлять совместные исследования и разработки, а также способствовать скорейшему принятию глобальных стандартов в области 5G-связи. Аналогичные соглашения Европейский союз уже заключил с Японией и Южной Кореей. Еврокомиссия в рамках инициативы Horizon 2020 выделит €700 млн. на исследования в области мобильной связи пятого поколения. По результатам заседания группы высокого уровня Китая также решила вложить €315 млрд инвестиций в Европу. Предполагается, что первые коммерческие сети 5G будут введены в эксплуатацию в 2020 году. Для них уже определена максимальная скорость передачи данных — 20 Гбит/с. Такие системы приведут к появлению видеоуслуг нового поколения, а также инновационных приложений, работающих в реальном времени.

К середине периода 2012-2020 гг. прогнозируется в некоторых странах окончательное формирование  системы «электронного правительства» и аналогичных систем в сфере здравоохранения, образования и других сферах общественной жизни. Дополнительными факторами роста в среднесрочной перспективе станет распространение новых форм услуг в телевидении по мере перехода к цифровому стандарту вещания (интерактивное телевидение) и форм удаленной работы специалистов. По-видимому, наибольшее влияние на ИТ-сектор окажет развитие технологий cloud computing и их распространение во всех сферах деятельности. Поскольку они избавят потребителей от необходимости хранить и поддерживать локальное оборудование и программные продукты, которые можно будет получать дистанционно у поставщиков вычислительных ресурсов, это приведет к бурному развитию рынка сервис-провайдеров. Таким образом, облачно-ориентированные платформы сетей радиодоступа 4-го и 5-го поколений на основе программно-ориентированных устройств SDR и базовых программно-ориентированных сетей на основе SDN, сделают возможным перенос вычислительных мощностей абонентских устройств в облачные технологии и использовании интеллектуальных абонентских устройств. В области технологий управления машинами наиболее интенсивно инновации внедряются в сферу Интернет вещей и услуг М2М. Одним из направлений развития сетей 5-го поколения станут алгоритмы классификации трафика, что обеспечит поддержку вызовов рынка по динамике изменения спроса на услуги и потребности абонентов.

Сайко В.Г.