Новые технологии высокоскоростных сетей

13.02.2015

Лавинообразный рост передаваемого по Интернету контента требует широкополосного доступа. Для этого провайдеры и промышленники сооружают сети, чтобы к 2015 году увеличить пропускную способность.

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.

Первый смартфон с поддержкой LTE Advanced (модель Galaxy S5) выпустила корейская компания Samsung

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.

Сотовая связь на гигагерцевых частотах требует новой технологии использования антенн. Американский проект Argos отправляет сигнал всеми своими 96 антеннами.

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.

В лаборатории Ericsson панель из множества антенн получает сигнал в диапазоне 15 ГГц

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.

«ВымпелКом» стал одним из первых операторов в мире, который объединил каналы из диапазонов частот band 7, band 20–800 МГц и 2600 МГц в коммерческой сети. Максимальная скорость передачи данных при использовании технологии LTE Carrier Аggregation в сети «Билайн» превышает 110 Мбит/с.

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).

Carrier Aggregation в LTE Advanced. Сети LTE работают в трех полосах (800, 1800, 2600 МГц). LTE Advanced позволяет оператору объединить каналы и тем самым увеличить скорость передачи данных.

Больше антенн и новых частот

Обзор этапов развития LTE. В России на сегодняшний день смартфоны с поддержкой LTE относятся к третьей или четвертой категории абонентского оборудования. LTE-А добавляет Carrier Aggregation в шестую категорию. Затем появится технология MIMO с восемью антеннами.

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.

Преемник DSL — G.fast — достигает скорости передачи данных по медной линии в 1 Гбит/с. Для этого базовая оптоволоконная сеть должна быть подведена практически вплотную к жилому дому. Далее микроузлы распределяют соединение дальше на отдельные маршрутизаторы.

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).

Моделирование DSL в гигабитном диапазоне. Программа проверяет передаточные характеристики линии G.fast. В левом окне определяются сеть, тип и длина линии. Справа можно увидеть качество принимаемого смоделированного сигнала.

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.

Небольшой мультиплексор для G.fast. От микроузла 7357 Intelligent Services Access Manager производства Alcatel к абонентам G.fast будут отходить медные линии. Узел обслуживает до 48 медных линий.

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