ПостНаука продолжает рассказывать о современных технологиях в проекте «Банк знаний», подготовленном совместно с Корпоративным университетом Сбербанка.

Основным драйвером изменений и основным драйвером требований к новым поколениям беспроводных сетей является то, что мир поменялся. У нас за последние лет пять-десять резко добавилось различных приложений, для которых эти сети должны обеспечивать пропускную способность, задержки и прочие параметры. В частности, это видео высокого разрешения, которые оказывают очень большую нагрузку на сеть. Второе — это дополненная реальность, виртуальная реальность, которая сейчас только в зачатке и будет дальше развиваться. Далее — интернет вещей, который, конечно, тоже один из основных драйверов, потому что мы все больше и больше устройств подключаем к сетям.

Для этого надо обеспечить самые разные параметры. Каким-то устройствам нужно работать раз в месяц — передать 10 байт, и все. Каким-то устройствам надо передавать информацию часто и с очень высокой надежностью, чтобы она не терялась и доставлялась за очень короткое время.

Соответственно, очень много разных новых требований появляется, и они диктуются для операторских сетей именно новыми приложениями, потому что у нас каждый раз приложения только множатся. И операторские технологии сейчас в тяжелом положении, потому что «хотелок» очень много, все это развивается в самые разные стороны, и надо попытаться все это обеспечить и покрыть единой операторской сетью.

В этом смысле люди, которые делают узкоспециализированные сети, то есть направленные (например, чисто для интернета вещей Low-power WAN, Sigfox или LoRa), конечно, в гораздо более простой ситуации. Они решают конкретную задачу, достаточно узкую, нишевую. И, в общем-то, там понятно, какие требования, и это легко сделать.

А для операторских технологий и 5G, и следующего поколения они стоят перед тяжелой задачей, когда надо удовлетворить самые противоречивые требования. Я бы перечислил десяток разных требований: общая пропускная способность, пропускная способность на пользователя, мобильность пользователя, количество подключенных устройств на квадратный километр, надежность передачи данных, обеспечение минимальной задержки для тех или иных данных. Понятно, что для разных данных необходимы разные требования. Где-то нужна высокая пропускная способность, и не так важно, что теряются какие-то пакетики, а задержка достаточно высокая. Где-то, наоборот, критично, чтобы все доставлялось вовремя.

Все тенденции можно собрать в такие три большие группы, три кита базовых современных беспроводных технологий и их следующих поколений, в которых собраны, с одной стороны, противоречивые, а с другой стороны, очень важные для дальнейшего развития требования.

Первое требование — повышение пропускной способности. Это очень важно. Появляется все больше и больше новых приложений. В частности, это, конечно же, видео высокого разрешения, это различные технологии дополненной реальности, виртуальной реальности, которые требуют повышения пропускной способности на порядок. То есть если мы говорим о современной скорости, то в LTE, в 4G, четвертом поколении мы имеем где-то 150 мегабит в секунду с одной маленькой базовой станции на пользователей. Сейчас же речь идет о том, чтобы добиться как минимум 50 мегабит в секунду везде, 150 мегабит в городской среде и до гигабита внутри помещений, то есть повысить скорость сразу на порядки.

Конечно же, у пропускной способности есть теоретический предел. Есть давно известный предел границы Шеннона — это предел для пропускной способности, для канала с шумом. Понятное дело, что физику не обманешь. Мы, конечно, пытаемся новыми методами наиболее эффективно использовать канал, но здесь обмануть невозможно.

И вариантов тут всего-то несколько. Один — перейти в свободные частоты. Второй — попытаться использовать за счет пространственно-временных каких-то особенностей один и тот же кусок спектра. И этим занимаются многоантенные системы, то, что называется MIMO (Multiple Input Multiple Output). И MIMO-системы сейчас очень разные: и multi-user MIMO и всякие разные управляющие. Они пытаются за счет многоантенности решить эту задачу. Если совсем грубо говорить, то это попытка выделить много маленьких виртуальных каналов в рамках одного участка спектра за счет того, что путь распространения каждого этого виртуального канала, то есть сигнала, который излучается, немного отличается от других. И за счет этого пространственно-временного явления мы можем отделить один канал от другого, тем самым один и тот же участок спектра уплотнить.

Второе направление — это то, что будет драйвером для интернета вещей. Это подключение различных сенсоров, устройств, датчиков и вещей. Основная задача в том, чтобы подключить как можно больше этих датчиков и сенсоров. Основной челлендж здесь в том, что их очень много. Планируется, что целевым показателем будет, как говорят, миллион устройств на квадратный километр. Надо понимать, что это подключенные устройства — не одновременно что-то передающие или принимающие, а просто имеющие возможность выйти в сеть.

Рекомендуем по этой теме:
6485
Умная среда

Третье направление — сверхнадежная передача критических приложений. Можно в качестве примера привести приложения управления беспилотным транспортом, взаимодействие беспилотного транспорта с городской средой, управление различными промышленными установками, управление любой механикой, любой механизацией. Основная задача в том, чтобы обеспечить очень надежную передачу информации при очень маленьких задержках. То есть реакция должна быть практически мгновенной.

Эти три направления в современной связи и выделяют. И даже придуманы названия. Если мы говорим про повышение скорости, это Enhanced Mobile Broadband, то есть увеличение пропускной способности для мобильных сетей. Если говорить про массовые сенсоры и датчики, это Massive Machine-Type Communications, то есть массовое межмашинное взаимодействие. И если говорить про сверхнадежную передачу для критических приложений, это Ultra-Reliable and Low-Latency, то есть очень надежная передача с маленькой задержкой.

Понятно, что все эти три направления ориентированы немного в разные стороны: с одной стороны, высокая скорость, с другой — надежность и низкая задержка, с третьей — огромное количество устройств на квадратный километр. И это все противоречивое пытаются сейчас запихнуть в одно новое поколение связи, в 5G и последующие. Понятно, что это очень сложно. Система получается непростая, потому что это вещи противоречивые.

Сейчас проблемы в каждом из этих направлений решаются. Но решаются они не с помощью одной какой-то технологии сотовой связи, а с помощью технологий специализированных, нишевых. Например, если мы говорим про подключение датчиков в большом количестве, в основном используется LPWAN, то есть Low-power Wide-area Network , — это сети типа LoRa, Sigfox, NarrowBand IoT — это новое добавление, что пришло в LTE, в 4G. Но какого-то единого решения, которое бы закрыло все направления, сейчас пока нет. И собственно говоря, пытаются сейчас сделать технологии, которые бы универсально решали бы все задачи, стоящие перед новыми поколениями сетей.

Касательно подходов и того, какие задачи надо решать с точки зрения науки и техники в каждом направлении: если рассматривать вопрос повышения на порядок скорости передачи, то здесь основное — это повышение эффективности использования спектра. Потому что новый радиочастотный спектр, в котором сети работают, не появляется, а надо работать в том, который доступен. И здесь главным образом работают методы по использованию многоантенных систем, по использованию различных новых помехоустойчивых систем кодирования, для того чтобы повысить пропускную способность в ограниченном спектре.

Также есть второй вариант — расширение спектра вверх. То есть, условно говоря, попытаться вместить все сети в тот спектр, который пока не занят. Это миллиметровые волны, это десятки гигагерц, в районе 60–70 ГГц.

И третье — это попытка разработать новые методы координации работы устройств в рамках одной базовой станции сети или нескольких базовых станций, чтобы опять же повысить пропускную способность в конкретном ограниченном спектре.

Переход в незанятые частоты, в более высокий диапазон именно миллиметровых волн тянет за собой очень много технических трудностей. Прежде всего, это новая элементная база, потому что частоты уже очень высокие и с ними надо работать новыми методами. Кроме того, такие высокие частоты достаточно сложно излучать. Нужны специальные антенные системы, чтобы не было потерь при передаче до излучателя, до эфира. И третий момент тоже очень важный: они имеют совершенно определенные особенности распространения. В частности, на них влияет достаточно серьезно параметр атмосферы, на затухание: в зависимости от того, был туман или нет тумана в атмосфере, они по-разному затухают. И конечно, распространяются они уже практически как свет. То есть гораздо ближе по распространению уже к свету, а не к радиоволнам.

Поэтому сложностей на миллиметровых волнах много, но зато там огромное количество места. Вы можете туда выйти и получить сразу огромную пропускную способность за счет того, что там незанятый участок спектра, и, пожалуйста, можно работать.

Если говорить про методы, которые используются для массового межмашинного взаимодействия, для повышения количества подключенных устройств, то сейчас в основном люди сосредотачиваются на новых методах множественного доступа к среде, когда мы пытаемся отрегулировать, как устройства получают доступ к среде, чтобы передавать данные. И в данном случае самое главное сейчас направление исследований — это так называемый неортогональный массовый доступ к среде. Идея в том, что раньше все работы в основном были направлены на то, чтобы доступ был ортогональный, когда мы пытались разделить ресурс между устройствами либо по времени (то есть в один момент времени одно устройство передает, в другой момент времени другое устройство передает), либо по частотам, когда разводились на разные частотные каналы: кто-то в одном частотном канале, а кто-то в другом частотном канале. Много было вариантов с кодовым разделением, одновременное деление и по времени, и по частоте.

Сейчас вырабатывают новые методы, когда у нас большая часть устройств может передавать одновременно в той же полосе спектра и в тот же временной интервал, который доступен. В основном речь идет о новых помехоустойчивых кодах и вытягивании из шумов еще дополнительной информации.

Если говорить про надежную передачу, сверхнадежную передачу, то там достаточно амбициозные цифры. Речь идет о задержке по всему стеку протоколов в одну миллисекунду. То есть что-то произошло, сенсор среагировал, а через миллисекунду уже мы в опорной сети оператора об этом знаем и можем реагировать обратно. Второй момент — высокая надежность: что бы ни случилось, какие бы ни были помехи, эта информация должна быть доставлена до получателя. И в данном случае тоже основные наработки идут в помехоустойчивом кодировании, в повышении надежности передачи. И опять же меняются протоколы множественного доступа к среде.

Рекомендуем по этой теме:
4502
Тактильный интернет в эпоху 5 G

Еще один момент, помимо этого нижнего уровня, — сейчас я говорил в основном про радиоинтерфейсы, то есть про то, что у нас в части, работающей в радиочастотном спектре. Надо понимать, что современные сети уже перестали быть чисто радиосетью. Невозможно обеспечить такие высокие параметры, никак не взаимодействуя с опорной сетью — с проводной сетью. Поэтому, как бы ни было неожиданно, но комитеты, занимающиеся новыми поколениями беспроводных сетей, обращают много внимания на оптическую опорную сеть. Потому что в ней тоже надо очень многое добавить: и пропускной способности, и способов ее управления, и оптимизации ее работы, чтобы были возможны все те красивые вещи в беспроводной сети.

В частности, сейчас активно развиваются новые пассивные оптические технологии, все эти GPON и вообще много разных букв PON, то есть passive optical network. Это то, что позволит нам до базовых станций новых поколений доводить ту огромную пропускную способность и обеспечить ту самую минимальную задержку, которая необходима для всех наших сервисов.

Поэтому можно сказать, что 5G и следующие поколения — это уже сети не про радио, а про единую сеть, опорную и доступну́ю. Доступна́я сеть — это сеть беспроводная, а опорная сеть — оптическая. Еще один тренд, который можно выделить, — то, что многие функции начали виртуализироваться и реализовываться программно. Все больше и больше мы переходим от архитектуры, когда есть выделенная базовая станция (отдельное устройство, стоящее на сайте, где надо обеспечить покрытие сотовой связью), все больше мы смещаемся в сторону, когда конкретное покрытие обеспечивают так называемые радиохэды, то есть простые устройства, которые просто излучают в эфир информацию и принимают ее, а вся обработка сигнала, все протокольные решения, вся суть технологии перемещаются в облако. То есть все радиохэды привязаны быстрыми оптическими линками к центрам обработки данных, и там происходит вся обработка. Это тянет за собой очень много работ по виртуализации сетевых функций, по обработке сигнальной и кодовой информации в облаке, в вычислительных сетях и так далее.