Новые технологии высокоскоростных сетей

Широкополосный доступ — довольно растяжимое понятие, витающее в воздухе где-то между мечтами веб-серферов, политическими обещаниями и реальной Сетью. По определению Международного союза электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), широкополосный доступ — это соединение с полосой пропускания шириной не менее 256 кбит/с.

Большая коалиция европейских провайдеров намерена к 2018 году полностью обеспечить население ШПД с пропускной способностью в 50 Мбит/с. С осени 2014 года многие из них предлагают различные пакеты по широкополосному подключению DSL со скоростью до 100 Мбит/с. Увеличение пропускной способности в два раза возможно благодаря волшебной технологии под названием «векторизация». А промышленность летит вперед: новый стандарт для DSL под названием G.fast подразумевает пропускную способность в 1 Гбит/с по медным линиям.

Наряду с соединениями Ethernet и DSL пользователи Сети все больше предпочитают мобильную связь. Так, крупнейший поставщик оборудования для сетей связи Ericsson к 2019 году ожидает увеличение мобильного трафика в Европе в десять раз.

Внедрение LTE Advanced со скоростью до 300 Мбит/с в следующем году обещает увеличение пропускной способности для мобильного интернет-серфинга. Цель на перспективу определена широким понятием 5G: провайдеры и поставщики оборудования предполагают, что к 2020 году мобильный трафик будет измеряться в гигабитах.

В течение двух-трех лет в России будут развернуты первые сети для тестирования мобильного будущего, а в Корее они работают уже сегодня.

На следующих страницах статьи мы расскажем, какими будут сети связи 5G, что такое технология LTE Advanced и каковы ее преимущества, а также о новом стандарте передачи данных по телефонным линиям G.fast, поднимающим планку скорости до 2 Гбит/с.

Сети 5G: 15 Гбит/с без проводов

LTE позволяет достигать внушительной скорости передачи данных, но она зависит от количества свободных полос, которых недостаточно. Даже хорошо развитая LTE-сеть не сможет осилить прогнозируемую к 2019 году скорость передачи мобильных данных.

Наряду с объемом данных увеличивается и количество абонентов. Как показывает исследование Ericsson mobility report, до конца 2019 года из 9,2 млрд на долю мобильного широкополосного доступа будет приходиться 80% всех мобильных подключений. Сюда же входят миллиарды устройств, поддерживающих мобильную связь.

Компании и университеты разрабатывают технологии, которые могли бы справиться с таким потоком данных. Эти технологии объединяет одно понятие — 5G. Какой именно будет эта сеть будущего, мы узнаем только в конце 2015 года, а технология появится только к 2020-му.

Одна из идей развития сети пятого поколения исходит из ограниченности LTE: нужно задействовать высокие частоты, так как там достаточно места — можно достичь скорости в 10 Гбит/с.

Крупнейший оператор мобильной связи Японии NTT DoCoMo уже 2014 году приступил к тестированию полосы выше 6 ГГц. В конце июня 2014 года Ericsson в рамках этого проекта провела первое «живое» тестирование в полосе 15 ГГц. Удалось достичь скорости в 5 Гбит/с, правда, только на расстоянии в несколько метров. К тестированию 5G собирается присоединиться китайский производитель оборудования Huawei.

Передача данных через сотни антенн

Высокие частоты 5G очень чувствительны к помехам. Будущие сети должны рассчитываться на небольшую дальность действия.

Small Cell Network, «сеть малых сот», как расширение существующей сотовой связи, предусматривает наличие большого количества передающих станций в непосредственной близости от абонента. В то же время необходим непрерывный переход от Wi-Fi к сотовой связи — 80% пользователей мобильного Интернета находятся в зданиях.

Китайский поставщик оборудования ZTE предложил использовать динамические узловые сети с топологией на принципе ячеек (mesh networking): в эти сети специальные передающие станции разного типа объединяются, как только попадают в радиус действия.

Высокие частоты требуют доведенной до крайности технологии использования множества антенн. Разработки в этом направлении объединяет ключевое слово Massive MIMO («большая» MIMO). Проект Argos в университете Райса в Техасе отправляет сигнал с 96 антенн. Задача состоит в испускании сигналов всех антенн прямо на принимающее устройство, что требует высокой вычислительной мощности чипа.

Когда на смартфоне появится 16 антенн, неясно. Но это не значит, что нереалистично: чем выше частота, тем короче длина волны, а значит, на высоких частотах оптимальное расстояние — половина длины волны — между двумя отдельными антеннами MIMO сокращается до нескольких сантиметров.

 

Интервью с профессором Франком Фитцеком

Специалист в области сотовой связи занимается в рамках проекта «Лаборатория 5G» Технического университета Дрездена вопросами объединения средств сохранения и передачи.

Каким мы должны представить себе будущее с 5G?

Когда речь шла о сотовой связи 5G, имелась в виду только более высокая пропускная способность. Но 5G выводит на первый план новые способы применения, при которых важную роль играет низкая латентность: дистанционное управление роботами, телехирургия и другие темы, которые подпадают под общее название «тактильный Интернет». 5G передает контент с отставанием в миллисекунды, так что данные станут ближе к пользователю. Иерархически выстроенные сети доступа исчезнут, на их место придут узлы связи, принимающие, сохраняющие и передающие данные.

Как будет работать такая децентрализованная сеть?

Представьте себе сеть, в которой контент передается разными путями. Узлы самостоятельно собирают пакеты, добавляют их к другим и передают дальше. Иначе нельзя: при передаче данных на частоте в 60 ГГц на автомобиль, едущий со скоростью 100 км/ч, хэндовер будет происходить каждые двадцать метров. О сотовых вышках можно забыть. Это возможно только в случае, если другие автомобили будут выступать в роли передатчиков или при наличии множества точек доступа — «малых сот» (small cells).

Можно рассматривать пиринговую сеть в качестве модели 5G?

Сейчас рассматриваются идеи адаптации Multipath TCP, Software-defined networks (SDN) или даже пиринговой сети. Многопутевая модификация для TCP, или Multipath TCP, создает несколько параллельных соединений на каждую передачу. В SDN управление потоками данных реализуется программно, независимо от устройств передачи. В конечном счете при разработке 5G нужно рассматривать все это в контексте. При таком целостном подходе мощность сети увеличится настолько, что мы даже представить себе сегодня не можем.

LTE-advanced: потенциал — до 300 Мбит/с

Новый скачок в скорости происходит в мобильных сетях уже сегодня. Технологию LTE поддерживает большое количество смартфонов, а расширение сети идет семимильными шагами.

Последние анализы показывают, что клиенты LTE-сетей проводят в Интернете 30–50% всего времени с использованием мобильной передачи данных. Правда пока многих отпугивают дополнительные расходы и ограниченный объем трафика, входящий в абонентские пакеты.

Тем не менее развитие мобильных сетей приводит к внедрению «продвинутого» LTE. Компания «МегаФон» уже запустила сети LTE Advanced (LTE-A) в Санкт-Петербурге и Москве. В некоторых странах эта технология прогрессировала еще дальше: LTE-A вовсю пользуются жители Южной Кореи и Австралии.

Скорость передачи данных в сети LTE составляет 10–20 Мбит/с, так как ее производительность ограничена количеством абонентов или расстоянием до вышки — иногда одной вышкой пользуются сразу несколько операторов. Зато покрытие сети LTE-A лучше: использование дополнительных ретрансляционных станций наряду с базовыми позволяет усилить сигнал.

Для достижения высоких скоростей передачи данных в сетях LTE-A используется технология «объединения несущих» Carrier Aggregation. В конечном счете все сводится к вопросу математики: российские операторы сетей LTE используют частотные каналы, занимающие различные полосы частот (800, 1800 и 2600 МГц). Канал шириной от 10 до 20 МГц позволяет достигать скорости передачи данных от 75 до 150 Мбит/с.

Carrier Aggregation объединяет несколько каналов — как одной полосы, так и различных частотных областей. На практике это позволяет увеличить оптимальную пропускную способность до 40 МГц (или, соответственно, 300 Мбит/с).

Больше антенн и новых частот

Параллельно с Carrier Aggregation увеличить пропускную способность LTE-A поможет модернизация антенн. Технология использования множества антенн MIMO (Multiple Input Multiple Output) предусматривает увеличение скорости передачи данных и выравнивание сигнала к точке нахождения абонентского устройства при помощи сдвига фазы — технологии Beamforming (фазированные антенные решетки).

При использовании технологии MIMO смартфоном с поддержкой LTE-A скорость передачи данных от абонента (upload) увеличится. Восьмая категория абонентского оборудования полностью будет поддерживать MIMO, что увеличит эффективность обмена данными: на абонентских устройствах сигнал будут принимать не две, а восемь антенн.

 

Медный кабель: 2 Гбит/с по телефонной линии

Провайдеры и поставщики оборудования для сетей в Европе сейчас составляют планы развития VDSL. Стандарт G.fast предназначен для увеличения скорости обмена данными по медной линии до 1 Гбит/с. Такое решение обходится в четыре раза дешевле, чем чисто оптоволоконное подключение.

На практике путь развития G.fast не столь гладок: эта технология задействует более широкий спектр частот. VDSL для передачи данных практически использует частоты до 17 МГц — а задействовать можно до 30. G.fast же на первом этапе развития будет использовать до 106 МГц и 212 МГц на втором.

Проблема в том, что чем выше частоты, тем сильнее перекрестные помехи по всей длине медной пары. Для G.fast провайдеры прокладывают волоконно-оптическую сеть поближе к абоненту, а именно — на расстоянии в сто метров.

Будущее медной пары определяет ключевое понятие FTTdp (Fibre to the distribution point, «оптическое волокно до точки распределения»): линия до абонента будет отходить от небольшого мультиплексора, так называемого Micro Node (микроузла).

Оптоволокно на уровне глаз

Институт встроенных систем и коммуникационных технологий Фраунгофера с апреля изучает различные способы внедрения G.fast. Исследовательский проект FlexDP рассчитан до 2016 года, в его рамках для тестирования различных сценариев создается среда моделирования.

Все зависит в первую очередь от того, как именно проложены медные линии. При сетевой топологии «звезда», когда линии отходят от центрального узла, происходит меньше взаимодействий. При схеме «дерево» с длинным параллельным отводом помех гораздо больше.

К тому же сами медножильные кабели различаются качеством, особенностями связи и степенью изношенности. По причине их разнообразия могут возникать различные эффекты, в особенности на высоких частотах, причем такие, о которых на данный момент мало что известно.

Одно можно сказать с уверенностью: чипы для векторных сетей G.fast анализируют много данных и поэтому потребляют огромное количество электроэнергии. Питание мультиплексора FTTdp ложится на плечи медных кабелей абонентов.

А если в Интернете сидит только один пользователь, это проблематично. Его подключение запустит мультиплексор и подаст питание на векторный чип, который нейтрализует помехи несколько раз в секунду.

Несмотря на проблемы, технологические предпосылки созданы, но для надежной работы системы нужно еще на этапе разработки учитывать возможности применения в условиях, близких к реальности, и проводить лабораторные испытания. Как это удастся воплотить в жизнь, мы узнаем в 2016 году.

Фотографии в статье: Fraunhofer Esk (LI.); Hersteller (RE.); Инфографика: Andreia Margaridadasil va Granada