Беспроводная связь. Системы 4G и 5G.

Продолжаю рассказывать о курсе “беспроводная связь для всех” (Wireless Communications for Everybody) и рассказывать основные моменты его содержания. После введения в сотовые системы, истории их зарождения и развития в 2G и 3G, теперь очередь за новейшими поколениями. Это существующие сейчас сети LTE 4G и перспективные разработки 5G.

В отличие от предыдущих поколений, сотовые сети 4G проектировались изначально для передачи данных, передача голоса телефонного разговора лишь малая часть этих систем по передаче информации, аудио передаётся просто как данные. Voice (голос) был преобразован в VoLTE - Voice over LTE (голос через LTE).
Сейчас около 7,5 миллиардов абонентов пользуются 4G, что больше чем количество людей на всей планете - у многих несколько телефонов, симок, у многих устройств и агрегатов сейчас есть доступ в сеть (вплоть до холодильников).

LTE - эту аббревиатуру часто произносят рядом с 4G. Означает она “Long Term Evolution“ - “долговременное развитие” и именно так назван стандарт передачи данных, используемый в сетях 4G.

Ключевыми новшествами систем этого поколения стали:

• Более широкая полоса пропускания, в 3G это была величина в 5 мегагерц, теперь это 20-100 мегагерц.

• Множественный доступ нового типа OFDMA - прежний CDMA был уже не в состоянии справляться с новыми скоростями. Это революционная технология на основе модуляции OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов. Иногда даже отождествляют LTE и OFDMA.

• Технология с несколькими антеннами MIMO (Multiple Input Multiple Output). Полоса пропускания существенно увеличивается если использовать параллельно несколько источников и приёмников данных.

• Единый IP (internet protocol) стандарт передачи данных. Если раньше голос и данные различались, то теперь это всё - IP сообщения.
  Всё это вместе позволило поднять скорость передачи данных до гигантского значения в один гигабит в секунду - на несколько порядков быстрее, чем в 3G..

Дополнительным преимуществом систем LTE стала большая плотность обслуживания абонентов, теперь до ста тысяч пользователей на один квадратный километр могут быть одновременно в сети.

Теперь телефон это в первую очередь компьютер, подключённый к высокоскоростной сети передачи данных.

В 4G сетях появился единый стандарт, позволяющий производителям унифицировать свои продукты и разрабатывать их один раз, для единых требований и выпускать их для пользователей во всём мире.

Теперь можно порассуждать о сетях следующего поколения, которые условно можно назвать сетями 5G. Вроде бы уже сейчас можно пересылать огромные объёмы данных, совершать видеозвонки и смотреть медиаконтент высокого качества. Однако есть задачи, которые требуют ещё более высоких скоростей - 3D видео, виртуальная реальность, которые пока что “не тянут” системы LTE. Это обусловливает создание новых, более мощных сетей.

И международный союз по телекоммуникациях уже приступил к проектированию нового стандарта - будущей основы 5G. Внедрение их планируется в 2020 году, но например Корея хочет протестировать 5G уже на Олимпиаде 2018, которая пройдёт в феврале в Пхёнчхане.

За счёт чего планируется увеличить скорость до 4-20 гигабит/с? За счёт улучшения следующих параметров:

• эффективность использования спектра передачи (spectral efficiency)

• пиковая скорость передачи (peak data rate)

• плотность подключения (massive connectivity)

• высокая мобильность, то есть скорость географического перемещения устройства в сети (high mobility)

• Задержка между пакетами (transmission delay).

Возможными технологическими решениями станут уменьшение величины одной соты (с увеличением их числа), увеличение диапазона частот. Возможно, будут использованы наработки в виде готовых решений NOMA, Massive MIMO, OFDM-VTS, FTN.

Всё это вероятно приведёт к переходу от интернета в привычном понимании к интернету вещей (Internet Of Things, IoT), с множественным взаимодействием человека и окружающих его вещей. Датчики, автоматические системы, гаджеты, облачные технологии, медицинское обслуживание и т.д. и т.п. - всё через одну 5G сеть.

Не перестаю хвалить выбранный мною курс - чётко и по делу изложены этапы развития сотовых сетей, рассказаны ключевые моменты - технологии, новации, которые позволили перейти от предыдущего поколения к следующему. В сетях 4G это принципиально новый множественный доступ OFDMA с новым стандартом кодированием/декодированием сигнала. В курсе рассказывается, за счёт чего достигли скорости передачи 1 гигабит в секунду в LTE и как можно увеличить этот параметр в будущих сетях 5G в 20 раз. На остаётся только наблюдать за передовыми разработками и догонять остальной мир...

Конспект подготовлен для Академии Голоса @academy

Фотографии бесплатны в использовании с https://www.canva.com