Зміна технологічних поколінь відбувається у відповідності з етапами розвитку систем стільникового зв'язку. До першого покоління цих систем відноситься аналогове FM-радіо, яке з'явилося на початку 1980-х рр. До другого покоління відносяться цифрові стандарти стільникового зв'язку, які дозволили збільшити кількість абонентів з розрахунку на один канал. Найголовнішими стандартів 2G стали GSM і CDMA.
З третім поколінням технологій (3G) з'явилися такі вдосконалені модифікації CDMA як UMTS/WCDMA, які дозволили підвищити швидкість передачі даних до 2 Мбіт/с. Деякі варіанти стандартів 3G забезпечують навіть великі швидкості. До них відносяться такі доповнення як EV-DO ред. A і B, а також стандарти HSDPA/HDUPA/HSPA+, що забезпечують швидкості передачі даних 21 і 42 Мбіт/с.
В даний час розробляються стандарти четвертого покоління. Більшість компаній називає широко розповсюджений в усьому світі стандарт Long-Term Evolution (LTE) наступним технологічним проривом в розвитку мереж стільникового зв'язку, тоді як інші компанії відносять до технологій WiMAX 4G.
Організації ITU і 3GPP, які, як правило, мають вирішальний голос в таких спірних справах, вважають LTE і WiMAX технологіями третього покоління, тоді як багато операторів бездротового зв'язку відносять ці технології до 4G. Навіть HSPA+, технологію третього покоління, оператори T-Mobile AT&T зараховують до технологій 4G. Так чи інакше, HSPA, LTE і WiMAX, безсумнівно, являють собою головні етапи вдосконалення стандартів стільникового зв'язку після появи стандартів UTMS/WCDMA і CDMA 2000 EV-DO, які вважаються стандартів 3G.
У жовтні минулого року ITU заявила про те, що стандарти LTE, EV-DO ред. A і B, HSPA і WiMAX відносяться до 3G. ITU зараховує до 4G вдосконалені системи міжнародної рухомого зв'язку IMT-Advanced. Серед різних стандартів, що розглядаються в якості 4G, тільки два з них відповідають вимогам IMT-Advanced: LTE-Advanced і WiMAX2, або т. зв. WirelessMAN-Advanced (IEEE 802.16 m). Незважаючи на те, що ці стандарти пройшли ратифікацію, їх ще належить впровадити, на що буде потрібно не один рік.
Чи можна віднести останні удосконалення технології бездротового зв'язку до покоління 4G, як це роблять AT&T, Clearwire, Sprint, T-Mobile і Verizon? Дійсно WiMAX, HSPA і LTE являють собою наступний технологічний етап розвитку зв'язку після WCDMA і CDMA 2000 EV-DO 3G?
На малюнку 1 схематично показана еволюція стандартів стільникового зв'язку, в результаті якої з'явилися такі технології 4G як LTE і WiMAX. У протоколах бездротового зв'язку на фізичному рівні переважає використання методу модуляції OFDM. Крім того, слід зазначити вдосконалення стандартів IEEE 802.11 для бездротових локальних обчислювальних мереж (LAN). Незважаючи на те, що офіційно вони не відносяться до стандартів стільникового зв'язку, з часом вони стали підтримувати більш високі швидкості передачі даних та інші функції.
 |
Рис. 1. В процесі еволюції стандартів бездротового стільникового зв'язку з'явилися технології LTE і WiMAX |
Оскільки індустрія стільникового зв'язку, головним чином, займається розробкою систем стандарту LTE, він розвивається належним чином. LTE базується на схемах модуляції OFDM і OFDMA для численних користувачів одного каналу. LTEгибкая технологія, т. до. вона конфігурується для роботи в різних смугах частот. Стандартними розмірами каналу є 1,4; 3; 5; 10; 15 і 20 МГц.
Кількість піднесучих OFDM змінюється в залежності від ширини смуги. Поднесущие розділені інтервалом в 15 кГц і модулюються за допомогою методів QPSK, 16QAM або 64QAM. В дуплексному режимі з частотним поділом (FDD) потрібні два однакових по ширині рознесених каналу. Цей стандарт також визначає дуплексний режим з тимчасовим розділенням (TDD).
В LTE застосовується технологія MIMO, завдяки якій збільшується швидкість передачі даних і надійність каналу зв'язку. Крім того, LTE підтримує антенну конфігурацію SISO. Відомі дві конфігурації MIMO 2×2 (два каналадля передачі даних, двадля їх отримання) та 4×4. Більшість мобільних телефонів буде використовувати конфігурацію 1×2 (один каналдля передачі даних, двадля їх отримання) з-за обмежених можливостей щодо розміщення антен та вимогам до витраті енергії.
Висхідний канал LTE використовує технологію SC-FDMA, що відрізняється від OFDMA тільки тим, що її показник PAPR (peak to average power ratioотношение максимальної потужності до середньої) нижче, ніж у випадку застосування OFDMA. Це дозволяє підвищити енергоефективність і термін служби батарей, що критично для стільникових телефонів.
LTE забезпечує істотне підвищення швидкості передачі даних в мережах стільникового зв'язку навіть у порівнянні з останньою версією HSPA+. Використання 64QAM в конфігурації SISO дозволяє збільшити швидкість передачі даних до 100 Мбіт/з у 20-МГц каналі зв'язку. Ця швидкість знижується до 57,6 Мбіт/с у разі застосування 16QAM і до 50 Мбіт/св режимі QPSK. Швидкість передачі даних збільшується до максимального значення в 172,8 Мбіт/с в конфігурації MIMO 2×2. Конфігурація MIMO 4×4 забезпечує максимальну швидкість в 326,4 Мбіт/с.
В даний час стандарт LTE поки не отримав широкого поширення у світовому масштабі. Більшість операторів зв'язку планує використовувати цю технологію, але її впровадження йде повільними темпами-за високої вартості обладнання нової інфраструктури. Тенденція прийняття цього стандарту чітко спостерігається навіть серед тих операторів зв'язку, які раніше використовували CDMA 2000 EV-DO. По суті, два оператораMetroPCS і Verizonпервыми почали впроваджувати LTE в мережі США. Компанія MetroPCS пропонує послуги на основі LTE у всіх основних містах цієї країни. Цю технологію підтримують мобільні телефони Samsung.
Оператор зв'язку Verizon Wireless запустив LTE-мережу в грудні минулого року на 39 ринках постачання послуг. З тих пір ця компанія безперервно розгортає нові LTE-мережі. До кінця 2011 р. вона планує покрити 175 ринків постачання своїх послуг. Зв'язок в LTE-мережах Verizon підтримується з допомогою смартфонів Samsung і HTC Thunderbolt. При цьому швидкість передачі даних по низхідному каналу становить 5-12 Мбіт/с і 2-5 Мбіт/св висхідному.
У листопаді цього року компанія U. S. Cellular також введе в експлуатацію мережі LTE. Оператор AT&T планує почати розгортати мережі LTE в кінці 2011 р., а в 2012 р. збільшити їх кількість. Тим часом AT&T продовжує оновлювати мережі 3G HSPA+ і ретрансляційні станції. Компанії Sprint Nextel і Clearwire вже розгорнули мережу WiMAX, але надалі мають намір перейти на використання стандарту LTE.
За прогнозами аналітичного агентства ABI Research, до кінця цього року мобільними послугами LTE-мереж скористаються 16 млн абонентів, яким, крім іншого, будуть потрібні смартфони з підтримкою цього стандарту.
Стандарт LTE-Advanced стане офіційно прийнятої організацією ITU версією 4G. У цій вдосконаленої версії стандарту LTE швидкість передачі даних збільшиться до 1 Гбіт/с за рахунок більш широкополосних каналів та схем MIMO високого рівня. Швидкість даних вище теоретичного максимуму в 326,4 Мбіт/с досягається за рахунок смуг 40-100 МГц.
В ідеальному випадку вся ширина каналу повинна являти собою один зв'язний інтервал. Стандарт допускає також використання сукупності незв'язних сегментів. В умовах обмеженого спектра, яким користується більшість операторів зв'язку, агрегація незв'язних сегментів є нормою.
 |
Рис. 2. Спектр конфігурації LTE-Advanced, що складається з чотирьох незв'язних 20-МГц несучих |
На малюнку 2 показана спектрограма чотирьох незв'язних 20-МГц LTE-сигналів.
Стандарт LTE-Advanced визначає максимальну конфігурацію 8×8 MIMO. Проте найбільш широке застосування знаходять конфігурації 2×2, 4×4 і 4×2. У мобільних телефонах використовується конфігурація 1×2. Варіант 4×4 можна застосовувати в тому випадку, якщо забезпечена декорреляция сигналів антен. Розділення сигналів з антен є рішенням, яке, важко реалізувати в мобільному телефоні невеликого розміру. Однак робота в цьому напрямку триває. Стандарт LTE-Advanced передбачає використання:
– технології CoMP (Coordinated Multipoint Тгапѕміѕѕіопс координована багатоточкова передача), яка дозволяє координувати і об'єднувати сигнали з декількох антен, а також збільшити швидкість передачі даних не тільки в низхідному, але і у висхідному каналі. При цьому передавачі не обов'язково повинні розміщуватися в одному місці і можуть об'єднуватися з використанням високошвидкісного каналу.
– ретрансляційних станцій між кінцевим користувачем і базовою станцією для передачі сигналів по низхідному і висхідному каналах для поліпшення покриття. Ретрансляція дозволяє збільшити швидкість передачі даних, виключити мертві зони, а також розширити покриття.
– фемтоячеек і пикоячеек, які збільшують покриття будинків і підприємств, дозволяючи знизити витрати.
– Стандарт LTE-Advanced поки остаточно не затверджений. Цілком можливо, що на це буде потрібно кілька років. Поряд з WiMAX2 стандарт LTE-Advanced стане однією з технологій, які ITU віднесе до технологій 4G.
Як і LTE, стандарт WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) побудований на основі методу OFDM з мінімальними відмінностями. WiMAX забезпечує широкосмуговий доступ в міських бездротових мережах (MAN).
Спочатку цей стандарт бездротового зв'язку виступав як альтернатива DSL або кабельного ТБ і інтернету, але потім потреба в ньому виросла. У 2004 р. IEEE стандартизовала цю технологію як фіксований зв'язок WiMAX (802.16). Мобільна версія WiMAX (802.16 e) була стандартизована у 2005 р. Організація ITU визначила всі ці версії технології 3G, але більш пізній варіант 802.16 m став кандидатом на роль стандарту бездротового широкосмугового доступу IMT-Advanced, або 4G WiMAX.
WiMAX забезпечує доступ до інтернету в 150 країнах, включаючи США. У ньому використовуються 2,3-, 2,5-, 3,3-, 3,5- і 5 ГГц смуги частот, з яких найбільш затребуваними є 2,5 - і 3,5-ГГц діапазони. Оператори Clearwire і Sprint Nextel використовують стандарт WiMAX в діапазоні 2,5 ГГц для організації бездротового доступу до інтернету лептопів і стільникових телефонів. Немає жодних сумнівів, що цей стандарт буде застосовуватися в 700-МГц діапазоні. WiMAX забезпечує не тільки широкосмуговий доступ до інтернету, але і ретрансляцію для базових станцій стільникового зв'язку та точки доступу Wi-Fi.
Mobile WiMAX 802.16 e, новітня і найпоширеніша версія цього стандарту, використовує масштабовані схеми модуляції OFDM і OFDMA для організації доступу, в якому кількість піднесучих одно 128, 512, 1024 або 2048 залежно від ширини каналу (1,25, 5, 10 або 20 МГц). Типовий інтервал між піднесучими становить 10,94 кГц. Цей стандарт підтримує просторове рознесення антен, адаптивні антени і MIMO, дозволяючи підвищити надійність зв'язку і швидкість передачі даних.
У стандарті Mobile WiMAX використовується турбокодирование і схема з низькою щільністю перевірок на парність (low-density parity check, LDPC) для прямої корекції помилок (forward error correction, FEC). У мобільних додатках, в основному, використовується режим TDD незважаючи на те, що профіль FDD також визначено. Модуляція вибирається у відповідності з надійністю каналу зв'язку. У самих невимогливих випадках використовується метод BPSK. Схеми QPSK і 16QAM застосовуються при необхідності збільшити швидкість передачі даних.
Такі параметри як відстань і швидкість передачі даних істотно залежать від додатка. У випадку зі стаціонарної радіостанцією відстань, на який передаються дані, досягає 30 миль. У мобільних додатках станції або вузли стільникового зв'язку, як правило, знаходяться в радіусі до 3-10 миль. Більшість вузлів забезпечує надійну і стійку зв'язок з прийнятною швидкістю передачі в радіусі до 1,5 миль. Швидкість передачі даних в більшості систем для індивідуальних користувачів знаходиться в діапазоні 1-5 Мбіт/с. Однак в окремих випадках швидкість передачі даних в низхідному 20-МГц каналі досягає 128 Мбіт/с, а у висхідному 56 Мбіт/с.
У стандарті WiMAX2 (IMT-Advanced 802.16 m) передбачається більш широке покрить діапазоні 450 МГц...5 ГГц. Ця технологія забезпечує швидкість передачі даних до 1 Гбіт/с в мережі стаціонарного зв'язку і 100 Мбіт/св мобільного зв'язку. Для базових станцій визначена мінімальна конфігурація 2×2 MIMO, однак, поза всяким сумнівом, будуть також задіяні схема 4×4 MIMO і методи формування діаграми спрямованості антени. Мобільні телефони будуть використовувати конфігурацію 1×2 MIMO, схему модуляції 64QAM в 20-МГц каналі, як і передбачено в технології 4G.
По мірі виходу за вже освоєний спектр частот прогрес в області бездротового зв'язку сповільнюється. Однак, як і раніше, можна перейти на використання більш високих частот, що обіцяє більше можливостей. До теперішнього часу спостерігається тенденція освоєння міліметрового спектру в діапазоні 30-300 ГГц, де швидкість передачі даних може значно перевищувати 1 Гбіт/с. Так, наприклад, в цьому діапазоні можна легко передавати нестиснене відео формату HD.
На думку багатьох експертів, майбутнє бездротових технологийза міліметровим діапазоном частот. Багато труднощі, до яких відносяться короткі відстані, поглинання сигналу в атмосфері, особливо молекулами кисню на певних частотах, і мала потужність існуючих напівпровідникових пристроїв, долаються з допомогою антен з великим коефіцієнтом посилення.
Основна перевага використання цих високих частот полягає в малому розмірі антени (половина довжини хвилі на частоті 60 ГГц дорівнює 2,5 мм), що дозволяє формувати елементи антен на основі стандартної структури для створення фазованих решіток з дуже високим коефіцієнтом посилення прийому і передачі. Фазированные решітки дозволяють формувати адаптивну діаграму спрямованості, щоб встановити зв'язок в зоні прямої видимості.
Такі антени можна встановлювати на друкованих платах, невеликих підкладках або навіть на кремнієвих кристалах. У системах великого розміру традиційні рупорні і параболічні антени забезпечують надзвичайно високий коефіцієнт посилення і вузьку ширину пучка. Для збільшення відстані передачі сигналу можна вдатися до релейним трансляторам і комірчастим мереж.
В деяких додатках вже використовуються міліметрові діапазони. Для межсоединения віддалених вузлів, як правило, застосовуються двоточкові з'єднання. Для ретрансляції в стільникових і інших мережах задіяні частоти 60 і 80 ГГц. Автомобільні радари працюють у 77-ГГц діапазоні, як і багато інших військово-космічні системи. Системи посадки безпілотних повітряних засобів працюють в 35-ГГц каналі зв'язку. Однак реальні можливості цього діапазону будуть реалізовані в комерційних і споживчих додатках. Чіпсети для таких програм вже випускаються (див. рис. 3).
У стандарті IEEE 802.11 ad, який розрахований на комерційні та споживчі програми, використовується 60-ГГц смуга частот. На перших порах він передбачає зв'язок з бездротовим LAN (WLAN) і бездротову передачу відео для побутової техніки.
 |
Рис. 3. Монолітні СВЧ-мікросхеми (MMIC) компанії Endware отримують все більше поширення. До складу цих підвищують перетворювачів, виготовлених за технологією GaAS pHEMT, входять змішувачі, гетеродины, подвоювачі і РЧ-підсилювачі з змінним коефіцієнтом підсилення. Мікросхема EWU1509YF працює в діапазоні 10-15,4 ГГц, а EWU1809YFв діапазоні 17-24 ГГц |
На основі стандарту, розробленого в минулому році альянсом WiGig, IEEE 802.11 ad поділяє 60-ГГц спектр на чотири 2,16-ГГц каналу. Для забезпечення кращої надійності і швидкості на фізичному рівні може використовуватися метод OFDM або формат з однією несучою для реалізації низького споживання. У режимі з однією несучою пропускна здатність каналу зв'язку досягає 4,6 Гбіт/с. Її максимальне значення при використанні OFDM становить 7 Гбіт/с.
Рівень MAC сумісний з попередніми стандартами 802.11. Даний стандарт визначає кілька рівнів PAL (protocol adaption layers), які дозволяють іншими стандартами зв'язку благополучно працювати в діапазоні 60 ГГц. До них відносяться DisplayPort і HDMI для нестисненого відео і USB і PCI Express для роботи з інтерфейсом введення-виведення. Основне призначення цього стандартапередача відеоданих.
WirelessHDеще один стандарт бездротового зв'язку в діапазоні 60 ГГц, який служить для передачі відеоданих в телеприймачі формату HD, телевізійні приставки ігрові консолі, DVD-плеєри, а також 3D-телевізори. У цьому стандарті використовується 7-ГГц канал в ISM-смузі 57-64 ГГц.
Швидкість передачі даних в WirelessHD знаходиться в діапазоні від декількох Гбіт/с до 28 Гбіт/с. В цій технології стисле і нестиснене відео легко передається з максимально можливим дозволом. Інтерфейс HDMI (High Definition Media Interface) допускає швидкість передачі даних до 10,2 Гбіт/с, а DisplayPort 2.11,3-21,6 Гбіт/с.
У стандарті WirelessHD використовується метод OFDM з маніпуляцією BPSK або QPSK, що забезпечує швидкість до 4 Гбіт/с. Більш високі швидкості досягаються з допомогою 16QAM або 64QAM. Підтримка забезпечується також за рахунок шифрування (AES128) DTCP (Digital Transmission Content Protectionзащита передачі цифрового вмісту) і технології HDCP (High-bandwidth Digital Content Protectionзащита цифрового вмісту в мережах з високою пропускною здатністю), призначеної для запобігання незаконного копіювання високоякісного відеосигналу.
Стандарт WirelessHD вже реалізований в чіпсеті OmniLink60 від SiBeam, який оснащений 32-елементної антеною з фазованою решіткою і з керованою діаграмою спрямованості на окремій підкладці. Завдяки посиленню сигналу показник EIRP (effective isotropic radiated powerэффективная изотропная випромінювана потужність) збільшується до 10 Вт, а діапазон непрямої видимості досягає 10 м. Специфікація WirelessHD стала частиною стандарту 802.15.3 c для бездротових пристроїв з малим радіусом дії. Стандарт 802.15.3 c входить до складу технології Wireless Personal Area Networking (WPAN), яка також включає Bluetooth, ZigBee і інші технології малого радіусу дії.
Компанія Silicon Image, один з активних розробників інтерфейсу HDMI, нещодавно придбала ЅіВеамразработчика WirelessHD. Silicon Image планує надалі брати участь у консорціумі WirelessHD та альянсі WiGig з метою розвитку стандарту WirelessHD.
В цілому, діапазон міліметрових хвиль виглядає ідеальним для розвитку бездротових технологій. 60-ГГц спектр придатний для нелицензируемого використання по всьому світу. Недоліком цього діапазону є менший, ніж, наприклад, у випадку з Wi-Fi-пристроєм, радіус дії, однак передача даних на великі відстані потрібна далеко не завжди.
Іншими проблемами використання міліметрового діапазону є поглинання сигналу в атмосфері і багатопроменеві відображення, хоча їх можна частково подолати за рахунок більш високої потужності передачі, антен з керованою діаграмою спрямованості і спрямованих антен з великим коефіцієнтом посилення.
Хоча для виготовлення 60-ГГц чіпсетів використовується технологія КМОП, вона важко реалізується на практиці. До того ж компоненти на її основі споживають велику кількість потужності, що обмежує їх застосування в пристроях з батарейним живленням. По мірі вдосконалення процесу виготовлення напівпровідників і зниження їх вартості ця технологія займе своє гідне місце.
В умовах, коли радіочастотний спектр буде повністю задіяний, можна буде звернутися до оптичного спектру, в т. ч. до інфрачервоного (ІЧ) діапазону, використання якого не регламентується і не ліцензується. Цей діапазон широко застосовується в бездротової связидостаточно згадати пульти дистанційного керування і ретрансляционное ІЧ-обладнання. Атмосферний оптична зв'язок (free space optics, FSO) забезпечує передачу даних (інтернет, голос, відео, телефонія, телебачення) між об'єктами, надаючи з'єднання без допомоги оптоволокна або радіоефіру.
Дальність зв'язку за допомогою FSO-обладнання обмежена такими атмосферними явищами як дощ, туман, пил і т. д., однак застосування дуже потужних лазерних передавачів у діапазоні 785-1550 нм забезпечує швидкість передачі даних 10 Мбіт/с...1,5 Гбіт/с на відстанях до 10 км. Крім того, 10-Гбіт/с Ethernet-мережі дозволяють передавати сигнал ще на кілька сотень метрів. Атмосферний оптична зв'язок, що дозволяє уникнути застосування кабелів, ефективна на коротких відстанях між будівлями. Вона вже використовується для зв'язку та розширення мереж, що використовують Ethernet, Sonet/SDH, T1/E1, ATM або інші поширені стандарти.
Епоха технологій четвертого покоління триватиме дуже довго. Оператори зв'язку ще тільки розгортають т. н. системи 4G (насправді, ITU 3G). Як тільки стандарт IMT-Advanced буде ратифікований, буде потрібно кілька років і гігантські інвестиції, перш ніж системи LTE-Advanced або WiMAX2 запрацюють на повну силу. Тільки тоді почнеться робота над технологіями наступного покоління.
Але навіщо нам технології 5G, якщо ми отримаємо всі блага, у т. ч. можливість отримувати по бездротовим мережам потокове відео формату HD? Як би те ні було, настане черга і 5G. Деякі експерти вважають, що 5G, швидше за все, стане лише деякою незначним доопрацюванням 4G щодо покриття та надійності.
Як тільки бездротові технології четвертого покоління, які забезпечать швидкість передачі даних у діапазоні 100 Мбіт/с...1 Гбіт/с, багатьом мобільним додаткам не потрібно великих швидкостей. Технологія OFDM вже досягла максимального значення спектральної ефективності з розвитком IMT-Advanced і більшого з неї, що називається, не вичавиш.
Технології 5G поліпшать покриття за рахунок таких вузлів стільникового зв'язку малого розміру як фемто - і пикоячейки, а також удосконалених ретрансляторів. Експерти також передбачають конвергенцію фіксованого та мобільного зв'язку, в процесі якої бездротові сервіси 4G інтегруються з мережами Wi-Fi і, можливо, іншими мережами, щоб забезпечити найкраще покриття і більш раціональне використання наявних ресурсів.
Виходячи з тенденцій, які спостерігаються, можна передбачити, якою буде зв'язок п'ятого покоління. По-перше, враховуючи зростання дефіциту спектру, схеми високорівневої модуляції і кодування, а також адаптивні методи формування діаграми спрямованості антен допоможуть освоїти нові технології з використанням більш високих швидкостей передачі даних.
Wi-Fi залишиться розвантажувальним засобом, який полегшить навантаження мереж і збільшить їх швидкість. При цьому системи неминуче будуть переходити на використання більш високих частот. З'являться системи, що працюють в міліметровому діапазоні. Велике поширення отримають невеликі базові станції з коротким радіусом дії. Комірчасті мережі і повторювачі також внесуть свою лепту в загальну справу. По всій видимості, стандарт 5G з'явиться не раніше, ніж через 10 років.
