5 технологий для передачи данных

Каким будет Wi-Fi в будущем? Какая разница между 4G и 5G? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Электросвязь — способ передачи информации, который происходит с помощью электромагнитных сигналов. Они могут передаваться по проводам, витой паре или оптическому каналу. В беспроводном случае это происходит с помощью радиоволн.

Информация — это набор единиц и нулей, последовательность которых пересылается от передатчика к приемнику. На передатчике каждый бит информации превращается в электромагнитный сигнал. На приемнике электромагнитный сигнал преобразуется в единицу или нуль в зависимости от формы сигнала.

Простой формой периодического сигнала является синусоида. Если передается единица, то сигнал генерируется в виде синусоиды некоторой длины. Если нуль — передатчик генерирует тот же самый сигнал, но зеркально отраженный, со сдвигом фазы в 180 градусов.

По этой схеме работают Wi-Fi, системы спутниковой связи, Ethernet (группа технологий, предназначенных для пакетной передачи данных по компьютерным сетям) и системы оптической связи. Однако технологии действуют на разных частотах. Беспроводная связь, например Wi-Fi, обычно работает на частотах 2,4 и 5 ГГц. Новый Wi-Fi — в диапазоне от 6 до 7 ГГц. В случае с оптической связью используется видимый свет или инфракрасное излучение — там тоже действуют электромагнитные сигналы.

 

Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless Fidelity) — технология радиосвязи, которая появилась еще в 1999 году. Она эволюционировала, но не изменила свое название.

 

По своим характеристикам Wi-Fi почти не уступает, а во многом превосходит технологии сотовой связи. Среди них скорость передачи данных, стоимость, количество разных сервисов, которые могут быть использованы в локальной сети. Однако область покрытия лучше у сотовой связи, потому что Wi-Fi — технология локальных сетей, которая действует на небольшой площади.

Базовый принцип, по которому ведется передача данных Wi-Fi, — метод случайного доступа с прослушиванием канала. Он работает так: когда нужно передать данные, устройство прослушивает беспроводной канал, и если он занят, то устройство ждет, пока канал освободится (он может быть занят чужой передачей или даже сигналом от микроволновки — она работает в том же диапазоне 2,4 ГГц, в котором может вестись передача Wi-Fi).

Устройств, находящихся в режиме ожидания, может быть несколько. Если они будут передавать данные сразу, как только освободится канал, то произойдет наложение сигналов друг на друга (коллизия), и приемники не смогут их распознать. Поэтому устройства выбирают случайное число и ждут время, пропорциональное этому числу. То устройство, которое выбрало меньшее время, начинает передавать данные первым. Если передача прошла успешно, то принимающее устройство отправляет в ответ кадр подтверждения. Если этого не произошло, то попытка повторяется. Этот принцип передачи данных используется с самой первой версии Wi-Fi и действует до сих пор.

Первые версии Wi-Fi, как правило, использовали каналы с шириной полосы около 20 МГц. Wi-Fi 5 (802.11ac) и Wi-Fi 6 (802.11ax) — до 160 МГц. А Wi-Fi 7 (802.11be), стандарт которого начали разрабатывать в 2019 году, может использовать для передачи данных несколько полос с шириной до 320 МГц каждая. Увеличение ширины полосы приводит к повышению скорости передачи данных, это позволяет отправлять бóльший объем ресурсов. Также в новых поколениях Wi-Fi улучшаются сигнально-кодовые конструкции, которые преобразовывают биты в сигналы.

Основная проблема, связанная с технологией, в том, что сегодня выросло число устройств, подключенных к интернету через беспроводной канал: они конкурируют и мешают друг другу передавать данные. Для того чтобы ресурсов хватило всем, технологии должны передавать данные на высокой скорости. Тогда устройство займет канал, быстро передаст данные и освободит канал для других устройств.

У современных точек доступа Wi-Fi множество антенн. На их базе можно сделать несколько почти независимых каналов связи благодаря технологии MIMO. Wi-Fi 5 и 6 поддерживает до восьми таких каналов, Wi-Fi 7 — до шестнадцати. Чем больше каналов, тем больше данных можно передать.

Каналы могут быть назначены разным пользователям, передача данных может происходить одновременно. Также Wi-Fi может принимать данные от нескольких пользователей.

Недавно на рынке появился Wi-Fi версии 802.11ax, его также называют Wi-Fi 6. Он передает данные со скоростью почти 10 Гбит в секунду. Технология позволяет эффективно использовать радиоресурс и обеспечивать хорошее качество передачи информации. Разработка Wi-Fi 7 уже началась. Среди преимуществ технологии — большие скорости, поддержка приложений реального времени, виртуальной реальности, дополненной реальности, телемедицины, управления роботами.

 

Li-Fi

Технология, в которой передача данных по беспроводной сети происходит с помощью света, называется Li-Fi (Light Fidelity). Сейчас в комитете по стандартизации IEEE 802 LMSC работают над тем, чтобы адаптировать Wi-Fi к инфракрасному и видимому свету. Теоретически Wi-Fi умел использовать инфракрасный диапазон и раньше, однако такие устройства не получили распространения.

В Li-Fi лампочка над столом может освещать не только поверхность стола, но и передавать информацию, например, для ноутбука, который находится под этой лампочкой. Ведь свет — это тоже электромагнитная волна. К тому же в видимом и инфракрасном излучении каналы могут быть очень широкими — это дает возможность передавать данные на большой скорости. Кроме того, направлением света легко управлять, а значит, соседние сети будут меньше мешать друг другу.

Упрощенно в Li-Fi передача информации происходит за счет быстрого мерцания светодиодной лампочки, однако для человеческого глаза такое мерцание незаметно. Прототипы Li-Fi, показывающие принципиальную возможность такой технологии, существуют в Германии и Шотландии — компания pureLifi позиционирует свои разработки как пионерские в этой области, участвует в стандартизации.

Однако стандарт данной технологии только разрабатывается. В сентябре 2019 года принято несколько ключевых решений о том, в каком направлении будет двигаться разработка стандарта Li-Fi. В применении новой технологии заинтересованы компании, которые производят светодиодные лампочки обычного освещения, для них откроются новые ниши рынка.

 

Несмотря на то что технологии Li-Fi многообещающие, есть сомнения, что они получат такое же широкое применение, как Wi-Fi. Дело в том, что Li-Fi несовместим с другими устройствами. В случае с обычным Wi-Fi, если у вас есть точка доступа и ноутбук, то вы легко подключитесь к интернету, потому что устройства обратно совместимы, а с Li-Fi это невозможно. Вот почему все устройства Li-Fi, похоже, будут иметь и обычный радиоинтерфейс.

То же самое произошло с Wi-Fi HaLow, связи для интернета вещей. У технологии хорошие показатели эффективности: она поддерживает датчики, которые много лет живут на батарейке; автономные видеокамеры, передающие тяжелые потоки данных. Но технология пока не получила распространения, потому что работает в диапазоне менее 1 ГГц — в нем нет других устройств Wi-Fi. Из-за этого фактически пропала обратная совместимость.

 

От 1G до 5G

Буква G означает поколение сотовой связи. Устройства первого поколения, 1G, использовали аналоговую передачу данных. Второе поколение обозначило цифровую передачу голоса и SMS. В сотовых сетях третьего поколения стала доступна передача данных (на самом деле она появилась чуть раньше, соответствующее поколение иногда обозначают 2,5G). Передача данных стала основным сервисом в сетях 4G.

Когда технологии сотовой связи только появлялись, они использовали разные принципы, стандарты и были несовместимы друг с другом. Телефон, купленный и предназначенный для использования в Европе, становился бесполезным в США, и наоборот. Однако технологии взрослели. С формированием рынка сотовой связи и ростом номера поколения количество технологий уменьшалось.

С 4G произошло следующее: сегодня единственной оставшейся в живых массовой технологией сотовой связи четвертого поколения является семейство LTE Advanced (Long-Term Evolution). Иногда к четвертому поколению также относят LTE, хотя по своим характеристикам она уступает предъявляемым требованиям. Стандарт мобильной связи был сделан в комитете 3GPP (3rd Generation Partnership Project). Когда возник вопрос разработки технологии 5-го поколения, то 3GPP предложил не придумывать название, подобное LTE, а назвать просто 5G. То есть 5G — это, с одной стороны, поколение технологий сотовой связи, а с другой — технология сотовой связи пятого поколения, которую разрабатывает 3GPP.

Со временем технологии становятся сложнее. Если 4G просто предоставляет широкополосный канал для передачи абстрактных данных, то при разработке технологии 5G упор идет на гетерогенные требования разных приложений и сервисов. Наряду с обслуживанием привычного широкополосного трафика (веб-приложения, видео) нужно обеспечить поддержку большого количества устройств с ограниченным энергопотреблением, питающихся от батареек. Это разные сенсоры, датчики, контроллеры, автономные устройства — то, что формирует интернет вещей. Также в технологии 5G обеспечивается сверхнадежная связь с малой задержкой. Это необходимо для работы роботов, систем связи автономных автомобилей и дорожной инфраструктуры, взаимодействия беспилотных автомобилей друг с другом. Важно, чтобы технология удовлетворяла разрозненным требованиям качества обслуживания.

Сейчас готовы спецификации первых двух версий технологии 5G. Технология ускорит развитие интернета вещей. Раньше была очень популярна идея о том, что миллиарды устройств будут вовлечены в межсетевое взаимодействие без присутствия человека. Однако сейчас на рынке нет масштабного количества автономных устройств, сенсоров, контроллеров, нуждающихся в беспроводном соединении, из-за чего может затягиваться развертывание соответствующих сетей. Фактически очень мало абонентов, которые нуждаются в 5G. Технология опережает свое время, она будет востребована в 2020-е годы.

 

Фемтосоты

Повысить пропускную способность сети помогают фемтосоты — миниатюрные станции сотовой связи. Они уже давно появились в рамках технологии LTE.

Иногда в помещениях, подвалах, метро мы сталкиваемся с плохим качеством связи. Причина этого — сильное затухание сигнала, который проходит сквозь стены. Это негативно влияет на скорость передачи данных. Для того чтобы повысить пропускную способность сети, вплотную друг к другу размещают миниатюрные базовые станции. Из-за того, что фемтосоты воздействуют на небольшую область, формируется сильный сигнал. Фемтосоты работают в лицензируемых радиочастотах и нуждаются в инфраструктуре сотового оператора. Кроме того, им необходим провод или другой канал связи, по которому они присоединятся к Всемирной сети.

Тема фемтосот была актуальна 6–7 лет назад. С ними были связаны большие ожидания: думали, что устройства смогут вытеснить Wi-Fi из квартир и офисов. Но, во-первых, сотовая связь нуждается в сложной инфраструктуре. Во-вторых, фемтосоты работают в лицензируемом спектре — там находятся радиочастоты, за которые операторы платят государству. Устройства и их работа обходятся дорого.

Фемтосоты не получили повсеместного распространения, потому что Wi-Fi выполняет ровно ту же функцию, но сто́ит гораздо дешевле. Он работает в нелицензируемом спектре. Можно купить на рынке точку доступа и поставить дома, никого не спрашивая, ни с кем не согласуя, никак не планируя инфраструктуру.

Миниатюрные базовые станции по-прежнему применяются, например, в метро. Теоретически устройства можно разместить где угодно — главное, чтобы был доступ в интернет.

 

WiMax

Технология, которая появилась раньше, чем LTE, и вполне могла бы получить столь же широкое распространение, как технологии семейства LTE — WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access). С технической точки зрения они очень похожи друг на друга. WiMax создала та же организация, которая разрабатывала Wi-Fi, Ethernet, Bluetooth, Zigbee. WiMax — это стандарт 802.16, им занималась рабочая группа 16-го комитета по стандартизации IEEE 802 LMSC.

Сети WiMax были развернуты во многих странах, однако технология проиграла рыночную борьбу с LTE и в настоящий момент используется все меньше. Одна из причин этого заключается в том, что зоопарк технологий никому не нужен. Для человека важно, чтобы он со своим смартфоном мог поехать в Германию, Францию, Великобританию, Соединенные Штаты, Китай и во всех этих странах устройство хорошо работало. Для этого должен быть один и тот же стандарт связи.