Перспективное развитие рынка беспроводной связи


PDF версия

Разработка беспроводных технологий следующего поколения никогда не прерывается. В результате скорость передачи данных растет, повышается надежность каналов связи, совершенствуется ее качество. Не так давно состоялось наше знакомство с технологиями четвертого поколения, а уже началась работа над более передовыми стандартами, которые приведут к реализации связи 5G. В статье дается обзор основных этапов эволюции базовых беспроводных технологий и особенностей их применения.

Технологии 4G

Смена технологических поколений происходит в соответствии с этапами развития систем сотовой связи. К первому поколению этих систем относится аналоговое FM-радио, которое появилось в начале 1980-х гг. Ко второму поколению относятся цифровые стандарты сотовой связи, которые позволили увеличить количество абонентов из расчета на один канал. Самыми главными стандартами 2G стали GSM и CDMA.
С третьим поколением технологий (3G) появились такие усовершенствованные модификации CDMA как UMTS/WCDMA, которые позволили повысить скорость передачи данных до 2 Мбит/с. Некоторые варианты стандартов 3G обеспечивают даже большие скорости. К ним относятся такие дополнения как EV-DO ред. A и B, а также стандарты HSDPA/HDUPA/HSPA+, обеспечивающие скорости передачи данных 21 и 42 Мбит/с.
В настоящее время разрабатываются стандарты четвертого поколения. Большинство компаний называет широко распространенный во всем мире стандарт Long-Term Evolution (LTE) следующим технологическим прорывом в развитии сетей сотовой связи, тогда как другие компании относят WiMAX к технологиям 4G.
Организации ITU и 3GPP, которые, как правило, имеют решающий голос в таких спорных делах, считают LTE и WiMAX технологиями третьего поколения, тогда как многие операторы беспроводной связи относят эти технологии к 4G. Даже HSPA+, технологию третьего поколения, операторы T-Mobile и AT&T причисляют к технологиям 4G. Так или иначе, HSPA, LTE и WiMAX, несомненно, представляют собой главные этапы совершенствования стандартов сотовой связи после появления стандартов UTMS/WCDMA и CDMA 2000 EV-DO, которые считаются стандартами 3G.
В октябре прошлого года ITU заявила о том, что стандарты LTE, EV-DO ред. A и B, HSPA и WiMAX относятся к 3G. ITU причисляет к 4G усовершенствованные системы международной подвижной связи IMT-Advanced. Среди различных стандартов, рассматриваемых в качестве 4G, только два из них отвечают требованиям IMT-Advanced: LTE-Advanced и WiMAX2, или т.н. WirelessMAN-Advanced (IEEE 802.16m). Несмотря на то, что эти стандарты прошли ратификацию, их еще предстоит внедрить, на что потребуется не один год.
Можно ли отнести последние усовершенствования технологии беспроводной связи к поколению 4G, как это делают AT&T, Clearwire, Sprint, T-Mobile и Verizon? Действительно ли WiMAX, HSPA и LTE представляют собой следующий технологический этап развития связи после WCDMA и CDMA 2000 EV-DO 3G?
На рисунке 1 схематично показана эволюция стандартов сотовой связи, в результате которой появились такие технологии 4G как LTE и WiMAX. В протоколах беспроводной связи на физическом уровне преобладает использование метода модуляции OFDM. Кроме того, следует отметить совершенствование стандартов IEEE 802.11 для беспроводных локальных вычислительных сетей (LAN). Несмотря на то, что официально они не относятся к стандартам сотовой связи, со временем они стали поддерживать более высокие скорости передачи данных и другие функции.

 

Рис. 1. В процессе эволюции стандартов беспроводной сотовой связи появились технологии LTE и WiMAX

 

Стандарт LTE

Поскольку индустрия сотовой связи, главным образом, занимается разработкой систем стандарта LTE, он развивается надлежащим образом. LTE базируется на схемах модуляции OFDM и OFDMA для многочисленных пользователей одного канала. LTEгибкая технология, т.к. она конфигурируется для работы в разных полосах частот. Стандартными размерами канала являются 1,4; 3; 5; 10; 15 и 20 МГц.
Количество поднесущих OFDM изменяется в зависимости от ширины полосы. Поднесущие разделены интервалом в 15 кГц и модулируются с помощью методов QPSK, 16QAM или 64QAM. В дуплексном режиме с частотным разделением (FDD) требуются два одинаковых по ширине разнесенных канала. Этот стандарт также определяет дуплексный режим с временным разделением (TDD).
В LTE применяется технология MIMO, благодаря которой увеличивается скорость передачи данных и надежность канала связи. Кроме того, LTE поддерживает антенную конфигурацию SISO. Известны две конфигурации MIMO 2×2 (два каналадля передачи данных, двадля их получения) и 4×4. Большинство сотовых телефонов будет использовать конфигурацию 1×2 (один каналдля передачи данных, двадля их получения) из-за ограниченных возможностей по размещению антенн и требованиям к расходу энергии.
Восходящий канал LTE использует технологию SC-FDMA, отличающуюся от OFDMA только тем, что ее показатель PAPR (peak to average power ratioотношение максимальной мощности к средней) ниже, чем в случае применения OFDMA. Это позволяет повысить энергоэффективность и срок службы батарей, что критично для сотовых телефонов.
LTE обеспечивает существенное повышение скорости передачи данных в сетях сотовой связи даже по сравнению с самой последней версией HSPA+. Использование 64QAM в конфигурации SISO позволяет увеличить скорость передачи данных до 100 Мбит/с в 20-МГц канале связи. Эта скорость снижается до 57,6 Мбит/с в случае применения 16QAM и до 50 Мбит/св режиме QPSK. Скорость передачи данных увеличивается до максимального значения в 172,8 Мбит/с в конфигурации MIMO 2×2. Конфигурация MIMO 4×4 обеспечивает максимальную скорость в 326,4 Мбит/с.
В настоящее время стандарт LTE пока не получил широкого распространения в мировом масштабе. Большинство операторов связи планирует использовать эту технологию, но ее внедрение идет медленными темпами из-за высокой стоимости оборудования новой инфраструктуры. Тенденция принятия этого стандарта отчетливо наблюдается даже среди тех операторов связи, которые прежде использовали CDMA 2000 EV-DO. По сути, два оператораMetroPCS и Verizonпервыми принялись внедрять LTE в сети США. Компания MetroPCS предлагает услуги на основе LTE во всех основных городах этой страны. Эту технологию поддерживают мобильные телефоны Samsung.
Оператор связи Verizon Wireless запустил LTE-сеть в декабре прошлого года на 39 рынках поставки услуг. С тех пор эта компания непрерывно разворачивает новые LTE-сети. К концу 2011 г. она планирует покрыть 175 рынков поставки своих услуг. Связь в LTE-сетях Verizon поддерживается с помощью смартфонов Samsung и HTC Thunderbolt. При этом скорость передачи данных по нисходящему каналу составляет 5–12 Мбит/с и 2–5 Мбит/св восходящем.
В ноябре этого года компания U.S. Cellular также введет в эксплуатацию сети LTE. Оператор AT&T планирует начать развертывать сети LTE в конце 2011 г., а в 2012 г. увеличить их количество. Тем временем AT&T продолжает обновлять сети 3G HSPA+ и ретрансляционные станции. Компании Sprint Nextel и Clearwire уже развернули сеть WiMAX, но в дальнейшем намереваются перейти на использование стандарта LTE.
По прогнозам аналитического агентства ABI Research, к концу этого года мобильными услугами LTE-сетей воспользуются 16 млн абонентов, которым, помимо прочего, потребуются смартфоны с поддержкой этого стандарта.

LTE-Advanced

Стандарт LTE-Advanced станет официально принятой организацией ITU версией 4G. В этой усовершенствованной версии стандарта LTE скорость передачи данных увеличится до 1 Гбит/с за счет более широкополосных каналов и схем MIMO высокого уровня. Скорость данных выше теоретического максимума в 326,4 Мбит/с достигается за счет полос в 40–100 МГц.
В идеальном случае вся ширина канала должна представлять собой один связный интервал. Стандарт допускает также использование совокупности несвязных сегментов. В условиях того ограниченного спектра, которым пользуется большинство операторов связи, агрегация несвязных сегментов является нормой.

 

Рис. 2. Спектр конфигурации LTE-Advanced, состоящий из четырех несвязных 20-МГц несущих

 

На рисунке 2 показана спектрограмма четырех несвязных 20-МГц LTE-сигналов.
Стандарт LTE-Advanced определяет максимальную конфигурацию 8×8 MIMO. Однако наиболее широкое применение находят конфигурации 2×2, 4×4 и 4×2. В мобильных телефонах используется конфигурация 1×2. Вариант 4×4 можно применять в том случае, если обеспечена декорреляция сигналов антенн. Разделение сигналов с антенн является решением, которое, трудно реализовать в мобильном телефоне небольшого размера. Однако работа в этом направлении продолжается. Стандарт LTE-Advanced предусматривает исполь­зование:
– технологии CoMP (Coordinated Multipoint Transmissionс координированная многоточечная передача), которая позволяет координировать и объединять сигналы с нескольких антенн, а также увеличить скорость передачи данных не только в нисходящем, но и в восходящем канале. При этом передатчики не должны обязательно размещаться в одном месте и могут объединяться с использованием высокоскоростного канала.
– ретрансляционных станций между конечным пользователем и базовой станцией для передачи сигналов по нисходящему и восходящему каналам для улучшения покрытия. Ретрансляция позволяет увеличить скорость передачи данных, исключить мертвые зоны, а также расширить покрытие.
– фемтоячеек и пикоячеек, которые увеличивают покрытие домов и предприятий, позволяя снизить расходы.
– Стандарт LTE-Advanced пока окончательно не утвержден. Вполне возможно, что на это потребуется несколько лет. Наряду с WiMAX2 стандарт LTE-Advanced станет одной из технологий, которые ITU причислит к технологиям 4G.

WiMAX останется востребованным

Как и LTE, стандарт WiMAX (Worldwide Interoperability for Micro­wave Access) построен на основе метода OFDM с минимальными различиями. WiMAX обеспечивает широкополосный доступ в городских беспроводных сетях (MAN).
Изначально этот стандарт беспроводной связи выступал как альтернатива DSL, или кабельному ТВ и интернету, но затем необходимость в нем выросла. В 2004 г. IEEE стандартизовала эту технологию как фиксированную связь WiMAX (802.16). Мобильная версия WiMAX (802.16e) была стандартизована в 2005 г. Организация ITU определила все эти версии как технологии 3G, но более поздний вариант 802.16m стал кандидатом на роль стандарта широкополосного беспроводного доступа IMT-Advanced, или 4G WiMAX.
WiMAX обеспечивает доступ к интернету в 150 странах, включая США. В нем используются 2,3-, 2,5-, 3,3-, 3,5- и 5-ГГц полосы частот, из которых наиболее востребованными являются 2,5- и 3,5-ГГц диапазоны. Операторы Clearwire и Sprint Nextel используют стандарт WiMAX в диапазоне 2,5 ГГц для организации беспроводного доступа к интернету лэптопов и сотовых телефонов. Нет никаких сомнений, что этот стандарт будет применяться в 700-МГц диапазоне. WiMAX обеспечивает не только широкополосный доступ к интернету, но и ретрансляцию для базовых станций сотовой связи и точек доступа Wi-Fi.
Mobile WiMAX 802.16e, новейшая и самая распространенная версия этого стандарта, использует масштабируемые схемы модуляции OFDM и OFDMA для организации доступа, в котором количество поднесущих равно 128, 512, 1024 или 2048 в зависимости от ширины канала (1,25, 5, 10 или 20 МГц). Типичный интервал между поднесущими составляет 10,94 кГц. Этот стандарт поддерживает пространственное разнесение антенн, адаптивные антенны и MIMO, позволяя повысить надежность связи и скорость передачи данных.
В стандарте Mobile WiMAX используется турбокодирование и схема с низкой плотностью проверок на четность (low-density parity check, LDPC) для прямой коррекции ошибок (forward error correction, FEC). В мобильных приложениях, в основном, используется режим TDD несмотря на то, что профиль FDD также определен. Модуляция выбирается в соответствии с надежностью канала связи. В самых нетребовательных случаях используется метод BPSK. Схемы QPSK и 16QAM применяются при необходимости увеличить скорость передачи данных.
Такие параметры как расстояние и скорость передачи данных существенно зависят от приложения. В случае со стационарной радиостанцией расстояние, на которое передаются данные, достигает 30 миль. В мобильных приложениях станции или узлы сотовой связи, как правило, находятся в радиусе до 3–10 миль. Большинство узлов обеспечивает надежную и устойчивую связь с приемлемой скоростью передачи в радиусе до 1,5 миль. Скорость передачи данных в большинстве систем для индивидуальных пользователей находится в диапазоне 1–5 Мбит/с. Однако в отдельных случаях скорость передачи данных в нисходящем 20-МГц канале достигает 128 Мбит/с, а в восходящем 56 Мбит/с.
В стандарте WiMAX2 (IMT-Advanced 802.16m) предусматривается более широкое покрытиев диапазоне 450 МГц…5 ГГц. Эта технология обеспечит скорость передачи данных до 1 Гбит/с в сети стационарной связи и 100 Мбит/св мобильной связи. Для базовых станций определена минимальная конфигурация 2×2 MIMO, однако, вне всякого сомнения, будут также задействованы схема 4×4 MIMO и методы формирования диаграммы направленности антенны. Мобильные телефоны будут использовать конфигурацию 1×2 MIMO, схему модуляции 64QAM в 20-МГц канале, как и предусмотрено в технологии 4G.

Миллиметровые волны

По мере выхода за уже освоенный спектр частот прогресс в области беспроводной связи замедляется. Однако, как и прежде, можно перейти на использование более высоких частот, что сулит больше возможностей. К настоящему времени наблюдается тенденция освоения миллиметрового спектра в диапазоне 30–300 ГГц, где скорость передачи данных может значительно превышать 1 Гбит/с. Так, например, в этом диапазоне можно легко передавать несжатое видео формата HD.
По мнению многих экспертов, будущее беспроводных технологийза миллиметровым диапазоном частот. Многие трудности, к которым относятся короткие расстояния, поглощение сигнала в атмосфере, особенно молекулами кислорода на определенных частотах, и малая мощность существующих полупроводниковых устройств, преодолимы с помощью антенн с большим коэффициентом усиления.
Основное преимущество использования этих высоких частот заключается в малом размере антенны (половина длины волны на частоте 60 ГГц равна 2,5 мм), что позволяет формировать элементы антенн на основе стандартной структуры для создания фазированных решеток с очень высоким коэффициентом усиления приема и передачи. Фазированные решетки позволяют также формировать адаптивную диаграмму направленности, чтобы установить связь в зоне прямой видимости.
Такие антенны можно устанавливать на печатных платах, небольших подложках или даже на кремниевых кристаллах. В системах большого размера традиционные рупорные и параболические антенны обеспечивают чрезвычайно высокий коэффициент усиления и узкую ширину пучка. Для увеличения расстояния передачи сигнала можно прибегнуть к релейным трансляторам и ячеистым сетям.
В некоторых приложениях уже используются миллиметровые диапазоны. Для межсоединения удаленных узлов, как правило, применяются двухточечные соединения. Для ретрансляции в сотовых и других сетях задействованы частоты 60 и 80 ГГц. Автомобильные радары работают в 77-ГГц диапазоне, как и многие другие военно-космические системы. Системы посадки беспилотных воздушных средств работают в 35-ГГц канале связи. Однако реальные возможности этого диапазона будут реализованы в коммерческих и потребительских приложениях. Чипсеты для таких приложений уже выпускаются (см. рис. 3).
В стандарте IEEE 802.11ad, который рассчитан на коммерческие и потребительские приложения, используется 60-ГГц полоса частот. На первых порах он предусматривает связь по беспроводным ЛВС (WLAN) и беспроводную передачу видео для бытовой техники.

 

Рис. 3. Монолитные СВЧ-микросхемы (MMIC) компании Endware получают все большее распространение. В состав этих повышающих преобразователей, изготовленных по технологии GaAS pHEMT, входят смесители, гетеродины, удвоители и РЧ-усилители с переменным коэффициентом усиления. Микросхема EWU1509YF работает в диапазоне 10–15,4 ГГц, а EWU1809YFв диапазоне 17–24 ГГц

На основе стандарта, разработанного в прошлом году альянсом WiGig, IEEE 802.11ad разделяет 60-ГГц спектр на четыре 2,16-ГГц канала. Для обеспечения лучшей надежности и скорости на физическом уровне может использоваться метод OFDM или формат с одной несущей для реализации низкого потребления. В режиме с одной несущей пропускная способность канала связи достигает 4,6 Гбит/с. Ее максимальное значение при использовании OFDM составляет 7 Гбит/с.
Уровень MAC совместим с предыдущими стандартами 802.11. Данный стандарт определяет несколько уровней PAL (protocol adaption layers), которые позволяют другим стандартам связи благополучно работать в диапазоне 60 ГГц. К ним относятся DisplayPort и HDMI для несжатого видео и USB и PCI Express для работы с интерфейсом ввода-вывода. Основное предназначение этого стандартапередача видеоданных.
WirelessHDеще один стандарт беспроводной связи в диапазоне 60 ГГц, который служит для передачи видеоданных в телеприемники формата HD, телевизионные приставки, игровые консоли, DVD-плееры, а также в 3D-телевизоры. В этом стандарте используется 7-ГГц канал в ISM-полосе 57–64 ГГц.
Скорость передачи данных в WirelessHD находится в диапазоне от нескольких Гбит/с до 28 Гбит/с. В этой технологии сжатое и несжатое видео легко передается с максимально возможным разрешением. Интерфейс HDMI (High Definition Media Interface) допускает скорость передачи данных до 10,2 Гбит/с, а DisplayPort 2.11,3—21,6 Гбит/с.
В стандарте WirelessHD используется метод OFDM с манипуляцией BPSK или QPSK, что обеспечивает скорость в 4 Гбит/с. Более высокие скорости достигаются с помощью 16QAM или 64QAM. Поддержка обеспечивается также за счет шифрования (AES128) DTCP (Digital Transmission Content Protectionзащита передачи цифрового содержимого) и технологии HDCP (High-bandwidth Digital Content Protectionзащита цифрового содержимого в сетях с высокой пропускной способностью), предназначенной для предотвращения незаконного копирования высококачественного видеосигнала.
Стандарт WirelessHD уже реализован в чипсете OmniLink60 от SiBeam, который оснащен 32-элементной антенной с фазированной решеткой и с управляемой диаграммой направленности на отдельной подложке. Благодаря усилению сигнала показатель EIRP (effective isotropic radiated powerэффективная изотропная излучаемая мощность) увеличивается до 10 Вт, а диапазон непрямой видимости достигает 10 м. Спецификация WirelessHD стала частью стандарта 802.15.3c для беспроводных устройств с малым радиусом действия. Стандарт 802.15.3c входит в состав технологии Wireless Personal Area Networking (WPAN), которая также включает Bluetooth, ZigBee и другие технологии малого радиуса действия.
Компания Silicon Image, один из активных разработчиков интерфейса HDMI, недавно приобрела SiBeamразработчика WirelessHD. Silicon Image планирует в дальнейшем участвовать в консорциуме WirelessHD и альянсе WiGig с целью развития стандарта WirelessHD.
В целом, диапазон миллиметровых волн выглядит идеальным для развития беспроводных технологий. 60-ГГц спектр пригоден для нелицензируемого использования по всему миру. Недостатком этого диапазона является меньший, чем, например, в случае с Wi-Fi-устройством, радиус действия, однако передача данных на большие расстояния требуется далеко не всегда.
Другими проблемами использования миллиметрового диапазона являются поглощение сигнала в атмосфере и многолучевые отражения, хотя их можно частично преодолеть за счет более высокой мощности передачи, антенн с управляемой диаграммой направленности и направленных антенн с большим коэффициентом усиления.
Хотя для изготовления 60-ГГц чипсетов используется технология КМОП, она трудно реализуется на практике. К тому же компоненты на ее основе потребляют большое количество мощности, что ограничивает их применение в устройствах с батарейным питанием. По мере усовершенствования процесса изготовления полупроводников и снижения их стоимости эта технология займет свое достойное место.

Когда не останется свободного спектра

В условиях, когда радиочастотный спектр будет полностью задействован, можно будет обратиться к оптическому спектру, в т.ч. к инфракрасному (ИК) диапазону, использование которого не регламентируется и не лицензируется. Этот диапазон уже широко применяется в беспроводной связидостаточно упомянуть пульты дистанционного управления и ретрансляционное ИК-оборудование. Атмосферная оптическая связь (free space optics, FSO) обеспечивает передачу данных (интернет, голос, видео, телефония, телевидение) между объектами, предоставляя соединение без помощи оптоволокна или радиоэфира.
Дальность связи с помощью FSO-оборудования ограничена такими атмосферными явлениями как дождь, туман, пыль и т.д., однако применение очень мощных лазерных передатчиков в диапазоне 785–1550 нм обеспечивает скорость передачи данных в пределах 10 Мбит/с…1,5 Гбит/с на расстояниях до 10 км. Кроме того, 10-Гбит/с Ethernet-сети позволяют передавать сигнал еще на несколько сотен метров. Атмосферная оптическая связь, позволяющая избежать применения кабелей, эффективна на коротких расстояниях между зданиями. Она уже используется для связи и расширения сетей, использующих Ethernet, Sonet/SDH, T1/E1, ATM или другие распространенные стан­дарты.

Что представляет собой 5G?

Эпоха технологий четвертого поколения продлится очень долго. Операторы связи еще только разворачивают т.н. системы 4G (на самом деле, ITU 3G). Как только стандарт IMT-Advanced будет ратифицирован, потребуется несколько лет и гигантские инвестиции, прежде чем системы LTE-Advanced или WiMAX2 заработают в полную силу. Только тогда начнется работа над технологиями следующего поколения.
Но зачем нам технологии 5G, если мы получим все блага, в т.ч. возможность получать по беспроводным сетям потоковое видео формата HD? Как бы то ни было, настанет черед и 5G. Некоторые эксперты считают, что 5G, скорее всего, станет лишь некоторой незначительной доработкой 4G в отношении покрытия и надежности.
Как только беспроводные технологии четвертого поколения обеспечат скорости передачи данных в диапазоне 100 Мбит/с…1 Гбит/с, многим мобильным приложениям не потребуется больших скоростей. Технология OFDM уже достигла максимального значения спектральной эффективности с развитием IMT-Advanced и большего из нее, что называется, не выжмешь.
Технологии 5G улучшат покрытие за счет таких узлов сотовой связи малого размера как фемто- и пикоячейки, а также усовершенствованных ретрансляторов. Эксперты также предсказывают конвергенцию фиксированной и мобильной связи, в процессе которой беспроводные сервисы 4G интегрируются с сетями Wi-Fi и, возможно, другими сетями, чтобы обеспечить лучшее покрытие и более рациональное использование имеющихся ресурсов.
Исходя из наблюдаемых тенденций, можно предсказать, какой будет связь пятого поколения. Во-первых, учитывая рост дефицита спектра, схемы высокоуровневой модуляции и кодирования, а также адаптивные методы формирования диаграммы направленности антенн помогут освоить новые технологии с использованием более высоких скоростей передачи данных.
Wi-Fi останется разгрузочным средством, которое облегчит нагрузку сетей и увеличит их скорость. При этом системы неизбежно будут переходить на использование более высоких частот. Появятся системы, работающие в миллиметровом диапазоне. Большое распространение получат небольшие базовые станции с коротким радиусом действия. Ячеистые сети и повторители также внесут свою лепту в общее дело. По всей видимости, стандарт 5G появится не раньше, чем через 10 лет.

Литература
1. Louis Frenzel. Wireless Companies Follow the Roadmap Past 4G And On to 5G//http://electronicdesign.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *