Recientemente, la cuestión del futuro de las redes Wi-Fi se ha debatido cada vez más en relación con la construcción masiva esperada de las redes celulares de quinta generación. De hecho, ¿por qué necesitamos Wi-Fi en un mundo donde las redes celulares proporcionan acceso a Internet de alta velocidad a miles de millones de personas? ¿La familia de estándares de Wi-Fi 5G dejará de desarrollarse? ¿La tecnología abandonará el mercado al completar su "misión histórica"? Este artículo está dedicado a todos los que respondieron afirmativamente a estas preguntas. Todos los que entienden la tecnología de red, esperamos, también será interesante de leer.
SpoilerDecidimos ilustrar el texto sobre la "lucha" de dos tecnologías con tomas de la trilogía inmortal "Matrix", en la que la lucha entre las máquinas y las personas terminó en coexistencia.
A pesar de la aparente importancia y coherencia, las preguntas sobre la rivalidad entre Wi-Fi y 5G se basan en una oposición artificial de las tecnologías relacionadas, pero son diferentes en los modelos de aplicación. La mayoría de las acusaciones de fragilidad de Wi-Fi pertenecen a los representantes de los operadores móviles, al final del artículo
explicaremos por qué .
Mientras tanto, intentemos disipar dos conceptos erróneos juntos: "5G es mucho más rápido que Wi-Fi" y "Wi-Fi morirá muy pronto". Primero, regresemos en el tiempo y descubramos qué es 5G y qué es Wi-Fi.
Hambre de frecuencia
Con 5G, significan una nueva generación de estándares de comunicaciones móviles, que, como muchos creen, hará una nueva revolución en las telecomunicaciones. Mientras tanto, una visión similar con respecto a 4G en ese momento tal vez estaba más justificada. En comparación con 3G 4G, aumentó la velocidad de transferencia de datos en un orden de magnitud, la tecnología recibió una interfaz de radio completamente nueva, una nueva arquitectura de la red central y muchas nuevas oportunidades para los operadores (y, como resultado, para los suscriptores). En el caso de 5G, hay muchos cambios y mejoras, y algunos de ellos son muy radicales. Pero hay un hecho importante del que rara vez se habla: en
base a los estándares 5G, se crearán redes celulares de tres categorías diferentes . Estas son redes 5G para escenarios tradicionales de uso de una red celular en las bandas de 1-6 GHz, redes para cobertura continua del territorio e Internet de las cosas (IoT) en frecuencias inferiores a 1 GHz y redes de ondas milimétricas. Y solo el primero de estos tres tipos de 5G estará ampliamente disponible para los suscriptores móviles comunes en el futuro previsible. Los otros dos tipos tendrán patrones de uso especiales, de los que también hablaremos.
Pero primero, sobre el tema candente: sobre las "velocidades supersónicas" para los suscriptores. Las redes 5G que operan en los rangos de frecuencia más o menos familiares de 1 a 6 GHz se diseñarán para el servicio masivo de suscriptores comunes. A frecuencias más altas, es casi imposible proporcionar cobertura continua con un número limitado de estaciones base potentes (macro celdas). Desafortunadamente, hay pocas frecuencias libres por debajo de 6 GHz, y este es un problema mundial. Con 3G y 4G, ya hemos pasado y seguimos pasando por la conversión de partes del espectro, la transferencia de varios tipos de consumidores a otros rangos de frecuencia, en el futuro, la reestructuración de frecuencia de los estándares más antiguos a los más nuevos. Obviamente, no hay una nueva fuente mágica de frecuencias libres para 5G en los rangos habituales. En realidad, un gran grupo de nuevas soluciones 5G está dirigido precisamente a mitigar el problema de la falta de recursos de frecuencia. El objetivo de las nuevas ideas y tecnologías en las comunicaciones celulares es siempre aumentar la capacidad y la velocidad de la red sin aumentar significativamente su costo. ¿Qué se te ocurre exactamente para alcanzar este objetivo? ¿Y qué ofrece exactamente 5G para esto?
Wi-Fi al rescate
Para aumentar la capacidad y la velocidad de la red, se podrían obtener nuevas frecuencias. Como ya se mencionó, en general no hay de dónde sacarlos, por lo que la comunicación celular está tratando de entrar en los rangos que están ocupados por otras tecnologías. En 5G, los
métodos para usar las frecuencias de Wi-Fi con las comunicaciones celulares , que ya tienen varias implementaciones en 4G, se están desarrollando aún más. Para Wi-Fi en el mundo, se asignan secciones bastante grandes del espectro (cientos de megahercios) en la banda de 1-6 GHz, y los operadores móviles los han estado buscando durante mucho tiempo.
Pero simplemente no puede tomar estas frecuencias de las redes públicas, por lo que se está desarrollando una familia de tecnologías que pueden usar simultáneamente estas frecuencias para Wi-Fi y comunicaciones celulares, sin dañar significativamente la calidad de Wi-Fi. Esta es una tendencia interesante. Desde la simple reutilización de la banda compartida en la tecnología LTE-U (mal coordinada y perjudicial para Wi-Fi), el desarrollo pasó primero a la tecnología LAA (compatible con 3GPP Release 13), utilizando el principio Listen Before Talk (LBT), y luego a los estándares LWA y eLAA. Ya no solo determinan el método para compartir frecuencias, sino que también describen la técnica de coordinación directa (a través de la integración y el intercambio de datos) de los subsistemas de Wi-Fi y radio celular (compatibles con las versiones 13 y 14, respectivamente). Lo más importante aquí es la tendencia de
coordinación y cooperación de redes celulares y Wi-Fi . Recuérdalo. ¿Estas tecnologías afectarán la velocidad y capacidad esperadas de las redes celulares? Por supuesto, con la ayuda de esta tendencia, se puede asegurar un cierto aumento en estos parámetros, pero aquí no se debe esperar una revolución.
Hormonas de crecimiento 5G
Si no hay suficientes frecuencias, debe
aumentar la eficiencia espectral : en la misma banda de frecuencia, transmita más datos en un canal. Aquí 5G es mejor que 4G debido a las actualizaciones en los esquemas de modulación y codificación de la señal, pero no se puede esperar un progreso radical. Los sistemas de modulación modernos ya están cerca de los límites físicos y la eficiencia espectral prácticamente alcanzable de las comunicaciones celulares en un solo canal no se puede aumentar radicalmente. Por cierto, en la transición de 3G a 4G, el aumento en la eficiencia espectral de un solo canal fue más significativo de lo esperado en la transición a 5G. Sin embargo, todavía hay un potencial significativo para aumentar la eficiencia del uso de la banda de frecuencia para la prestación de servicios, pero se realiza por medios más complejos. Esta distribución del recurso de frecuencia entre los servicios de red, una división más eficiente del recurso entre el canal de datos ascendente y descendente, la autoorganización de la red, la recombinación de recursos y la coordinación celular, soporte mejorado para múltiples frecuencias (agregación de portadora), etc. Todo esto se utilizará activamente en 5G y tendrá un efecto positivo, pero la mayoría de estos enfoques ya están presentes y en desarrollo en la cuarta generación.
Si es imposible mejorar radicalmente la eficiencia del uso de un solo canal, es lógico intentar organizar el intercambio simultáneo de diferentes flujos de datos entre la red y el suscriptor o suscriptores en la misma banda de frecuencia. En otras palabras, es necesario aumentar el nivel de reutilización del recurso de frecuencia. Para hacer esto, los canales de datos que funcionan en la misma frecuencia deben aislarse entre sí para evitar interferencias mutuas. Existen varios enfoques para resolver este problema, utilizados principalmente durante mucho tiempo en redes celulares existentes y desarrollados en 5G.
El crecimiento en la capacidad de las redes celulares siempre ha sido proporcionado por una combinación de los tres factores enumerados anteriormente: la expansión del espectro utilizado, el aumento en la eficiencia espectral y el aumento en el nivel de reutilización de frecuencia. En las últimas dos décadas, el enfoque se ha centrado en las técnicas de reutilización y han contribuido a un aumento importante en la expansión de la capacidad. Según diversas estimaciones, durante todo el período de existencia de comunicaciones celulares, la capacidad debido al recurso de frecuencia ha crecido 3-4 veces, debido al crecimiento de la eficiencia espectral en 5-6 veces, y debido al uso mejorado de frecuencias, en 40-60 veces.
La nueva tecnología no es un negocioLa opción más famosa para reutilizar frecuencias es instalar muchas celdas: cuantas más celdas haya, más veces podrá usar el mismo espectro. La principal limitación de este enfoque es la interferencia mutua (interferencia) en los límites de las áreas de cobertura. Cuantas más celdas haya, menores serán sus áreas de cobertura y mayor será su participación en regiones con alta interferencia. Se usan muchos métodos para combatir esto, desde estrategias para reutilizar bandas de frecuencia dependiendo de la posición relativa de las estaciones base hasta algoritmos complejos para coordinar señales por potencia y fase en los límites de las áreas de cobertura. A medida que crece el número de celdas, también lo hace la complejidad y, por supuesto, el costo de las soluciones que permiten su uso conjunto.
5G proporciona una mejora en la eficiencia del uso de una gran cantidad de células, pero esta mejora es solo evolutiva. Al parecer, la ideología de 5G tenía como objetivo deshacerse de la macroarquitectura, pero lo mismo se dijo sobre 4G. Durante el período de construcción masiva de redes 4G, el mercado esperaba que las células pequeñas asumieran el papel del principal proveedor de servicios de comunicación en las condiciones de desarrollo urbano denso y el crecimiento explosivo de su producción y consumo. Muchas arquitecturas microcelulares y soluciones compatibles con 3GPP para las que hay equipos de alta calidad disponibles en el mercado no solo no se han reclamado, sino que no se han convertido en la principal forma de formar una cobertura de red. La cobertura exterior todavía está formada principalmente por sectores de macroceldas, y las celdas pequeñas se utilizan en su mayor parte como una herramienta adicional que le permite cerrar los "agujeros" en la cobertura y mejorar la calidad de la red. Un modelo muy común para usar celdas pequeñas hoy en día es instalarlas cerca de macro celdas. Al mismo tiempo, la red está parametrizada de modo que los suscriptores cercanos a la macrocélula (ubicados en condiciones cercanas a las ideales para la propagación de la señal de radio y capaces de conectarse a una velocidad muy alta) serían atendidos principalmente por su séquito de celdas pequeñas, por lo que los suscriptores ubicados a una distancia recibir más recursos celulares y mejorar la calidad y la velocidad de comunicación.
La razón principal para mantener el papel auxiliar de las células pequeñas y el crecimiento relativamente lento en el número de células no es técnico, sino económico. El crecimiento del tráfico en las redes celulares (sin importar lo que digan los operadores celulares al respecto) en la última década ha ocurrido, aunque de manera muy intensa, pero más lentamente de lo que el mercado esperaba en el contexto de las altas expectativas de la era de las inversiones iniciales en 4G. Y, lo que es más importante, los operadores móviles no han aprendido a ganar mucho dinero con este tráfico. Ya en el momento del advenimiento de 3G, el mercado celular era muy consciente de la amenaza de convertir a los operadores celulares en una "tubería de datos" con el rápido descenso del costo del tráfico transmitido en la red. Si observa los discursos en las conferencias de la industria de aquellos tiempos de los líderes de las compañías de telecomunicaciones, dijeron por unanimidad que en unos años los operadores móviles venderán a los suscriptores no servicios básicos ("voz", mensajes y transferencia de datos), sino contenido y muchos servicios útiles (medios, comunicación relacionada con control, gestión y seguridad, juegos, etc.). Los expertos predijeron que esta sería la principal fuente de ingresos para los operadores de telecomunicaciones.
Por supuesto, hoy en día los operadores móviles ofrecen muchos servicios útiles, pero aún así extraen la mayor parte de sus ingresos de los mismos datos, voz y mensajes antiguos. Solo que ahora los datos se han movido al primer lugar. Los ingresos por servicios y contenido adicionales siguieron siendo una buena adición. De ahí el enfoque muy conservador de los últimos tiempos a las inversiones, que inevitablemente afecta la arquitectura de las redes celulares. La adopción generalizada de pequeños panales en las ciudades resultó ser económicamente no rentable y aún no está claro cómo 5G puede afectar este hecho deprimente.
Smartphones y MIMOOtra forma de aumentar la capacidad y la velocidad mediante la reutilización del recurso de frecuencia es la recepción multicanal y la transmisión de datos de una celda a uno o varios suscriptores. Esta es una familia de tecnologías que tienen el nombre común MIMO (Multiple Input Multiple Output) y se basan en el principio de multiplexación espacial de canales de radio. 5G proporciona el uso de los llamados El MIMO masivo (M-MIMO) y la tecnología de bimformación relacionada (de hecho, son variantes del enfoque general basado en el uso de antenas de elementos múltiples), que en teoría permiten aumentar el rendimiento total de la red de radio en decenas de veces. Este ancho de banda adicional se puede utilizar para aumentar el número de suscriptores atendidos simultáneamente en el área de cobertura o para aumentar la velocidad de transferencia de datos para suscriptores específicos o grupos de suscriptores. Bimforming aumenta adicionalmente la eficiencia del uso de los recursos de frecuencia de la red, aprovechando el hecho de que no todos los suscriptores en el área de cobertura al mismo tiempo necesitan una velocidad de acceso total. El principio de su funcionamiento es la redistribución dinámica de la potencia de la señal (utilizando la formación de haces dirigidos) a favor de aquellos suscriptores que actualmente necesitan recibir una gran cantidad de datos.
M-MIMO es una tecnología compleja que requiere la creación de antenas de matriz en fase con muchos cientos de elementos y al mismo tiempo a un precio razonable y en factores de forma que permiten su uso en ciudades (fuera de las ciudades, tales sistemas simplemente no son necesarios). No hay duda de que M-MIMO eventualmente se generalizará en las estaciones base. Pero es muy importante enfatizar que, por parte de los suscriptores, el uso de MIMO está limitado por el precio, el tamaño, los parámetros de energía y la potencia de radiación permitida de los dispositivos portátiles. El número de canales de datos independientes prácticamente alcanzables en un teléfono inteligente es muy limitado, y la calidad de su trabajo depende en gran medida de las condiciones de uso y la distancia a la estación base. Por lo tanto, si la capacidad de la red 5G debido a M-MIMO realmente se puede aumentar significativamente, entonces la tasa de intercambio de datos entre la red y un suscriptor individual crecerá mucho más lentamente, restringida por las capacidades de los dispositivos de suscriptor, y dependerá mucho de las condiciones de uso.
Pero hay buenas noticias: solo se necesitan grandes inversiones
Todo lo anterior puede proporcionar un aumento significativo en la capacidad de las redes celulares 5G que operan en rangos de frecuencia estándar en comparación con 4G, pero no puede proporcionar un crecimiento revolucionario en la velocidad de comunicación disponible para un suscriptor individual. Los conceptos de capacidad y velocidad de datos en una red celular están estrechamente relacionados, pero no son equivalentes. El aumento en el número de suscriptores que la red puede servir sin pérdida de calidad no significa que la red funcionará mucho más rápido para cada suscriptor individual en condiciones reales.
Debe enfatizarse que para obtener un efecto significativo de las innovaciones descritas anteriormente, deberá instalar más estaciones base, conectarlas a redes de paquetes de datos con mayor ancho de banda, usar sistemas de antenas mucho más complejos y costosos y obtener más espectro. Sin magia,
necesitas una gran inversión . Y generalmente invierten donde hay un negocio. Para los operadores móviles, aún no está claro por qué invertir grandes cantidades de dinero en el segmento masivo de redes 5G con cobertura continua y alta capacidad.
Red para IoT y Superior 4G
Detengámonos brevemente en otros tipos de redes 5G. El más importante de estos es la red de comunicación entre máquinas o IoT (Internet de las cosas). Aquí 5G tiene grandes ventajas sobre las generaciones anteriores de comunicaciones celulares. Esto es, en primer lugar, un bajo nivel de retraso (un orden de magnitud menor que en 4G) y la capacidad de atender a un gran número de suscriptores en el área de cobertura de una celda. Los estándares 5G incluyen protocolos de comunicación de la categoría LPWA (Área amplia de baja potencia), que están diseñados para la comunicación de baja velocidad y baja intensidad de un gran número de suscriptores con un nivel muy bajo de consumo de módems. Gracias a la arquitectura y los parámetros 5G, es posible construir no solo redes de sensores (combinando diferentes sensores y actuadores, por ejemplo, sistemas urbanos), sino también sistemas de control de vehículos altamente confiables (automóviles y drones) y varios robots y complejos robóticos. Las redes IoT 5G se construirán principalmente a frecuencias inferiores a 1 GHz, donde el área cubierta por la señal de una celda es mucho más grande que a frecuencias más altas. Al mismo tiempo, es poco probable que la comunicación de alta velocidad en estas frecuencias 5G para suscriptores comunes esté disponible, debido a la falta de espectro y porque MIMO masivo a frecuencias inferiores a 1 GHz es difícil de usar debido al gran tamaño de las antenas.
El tercer tipo de red 5G está diseñado para proporcionar a los suscriptores comunicaciones de muy alta velocidad. Se trata de velocidades máximas de hasta decenas de gigabits por segundo. Estas son redes en los rangos de alta frecuencia con longitudes de onda de menos de un centímetro (rangos de milímetros) que nunca antes se habían utilizado para las comunicaciones celulares. La razón para decidir incluir estos rangos en el estándar 5G es que tienen regiones espectrales no asignadas muy grandes (muchos cientos de megahercios).
Muchas personas que discuten sobre un aumento significativo en la velocidad de comunicación en 5G no se dan cuenta de que las velocidades ultra altas solo estarán disponibles
en redes de banda milimétrica . Las señales de estas frecuencias se distribuyen de tal manera que la visibilidad directa entre las antenas del transmisor y el receptor es casi siempre necesaria para la comunicación (es decir, la señal prácticamente no rodea los obstáculos), y la potencia de radiación permitida (y técnicamente disponible) es muy pequeña. Esto significa que en las condiciones de la ciudad para construir un campo de cobertura continua en el rango milimétrico, debe instalar una gran cantidad de celdas pequeñas.
Las estimaciones disponibles públicamente muestran que para las grandes ciudades, el número de celdas deberá incrementarse entre 500 y 1000 veces, en comparación con el número de celdas suficiente para formar una cobertura en los rangos estándar. Desafortunadamente, incluso esto no asegurará la continuidad de la comunicación (el suscriptor no tiene éxito suficiente para darse la vuelta y bloquear la señal de la estación base). No hay otra forma práctica de crear una cubierta continua (excepto para proyectos que usan drones y globos). Es decir, la red de ondas milimétricas 5G con cobertura continua en la ciudad resultará muy costosa, es casi imposible reutilizar la infraestructura existente y no es adecuada para suscriptores comunes que se mueven libremente en el área de cobertura. Además,
no hay un equipo de suscriptor adecuado para integrarse en teléfonos inteligentes y tabletas estándar para la comunicación en el rango milimétrico, y es poco probable que aparezcan en el futuro cercano. , (, ) (, , ) , , .
5G, . ( 5-7 , ), 5G . 5G . 5G , , 4G. 5G , ( 5G ), , , , . LTE 100-150 Mbps, 10-40 Mbps, 5G 200-300 Mbps , 30-80 Mbps.
5G
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Por último, pero no menos importante: sobre el metro
También me gustaría comentar sobre el tema de las redes Wi-Fi en el metro. Como saben, MaximaTelecom es el operador de dicha red en el material rodante del metro de Moscú y San Petersburgo. Servimos a aproximadamente 1.5 millones de suscriptores únicos diariamente. A menudo se nos pregunta cómo nos sentimos acerca de la posibilidad de la llegada de comunicaciones celulares completas en los túneles del metro, especialmente en el estándar 5G, y cómo afectará esto a nuestros suscriptores y si creemos que esto conducirá a una importante salida de suscriptores a las redes celulares.
Comenzaré con 5G. Recuerdo que las ventajas de 5G se basan mucho en la tecnología MIMO. En los túneles del metro, por razones puramente físicas, los MIMO de alto orden y la bimformación no funcionarán. Por lo tanto, la red 5G en términos de velocidad y capacidad de transferencia de datos en los túneles del metro no diferirá significativamente de 4G (además, también de 3G). La velocidad y capacidad de la red disponible para los suscriptores estará determinada principalmente por el recurso de frecuencia que los operadores pueden usar en los túneles, y no por el estándar de comunicación. Por lo tanto, no creemos que el cambio de las generaciones de comunicación en el metro afecte de alguna manera a nuestra base de suscriptores. Creemos que el hecho mismo de que aparezcan comunicaciones celulares de alta calidad en túneles en Moscú (si alguna vez sucede) será mucho más importante que cambiar a 5G en un futuro incierto.
Por supuesto, el tema de la usabilidad y la seguridad del uso de redes es muy importante. Hay una diferencia entre una red celular y una red Wi-Fi pública. A menudo se dice que para los suscriptores de redes públicas, el gran problema es la necesidad de identificación en la red, que en nuestro país está dictada por la ley. La experiencia de MaximTelecom muestra que la identificación requerida por única vez para la gran mayoría de los suscriptores no es un obstáculo para usar la red. Muchos más suscriptores están preocupados por los anuncios que mostramos cada vez que ingresamos a la red. MaximaTelecom construye redes utilizando fondos propios y prestados, los subterráneos de dos capitales no nos pagan por el hecho de que proporcionamos servicios de Wi-Fi para pasajeros (y nunca pagados). Por el contrario, pagamos dinero a los subterráneos por el derecho a colocar nuestra infraestructura en el metro.
El costo de crear y mantener nuestras redes es muy alto, ya que incluyen no solo Wi-Fi y redes de paquetes de datos, sino también una
red de radio de transporte que proporciona comunicación entre trenes en movimiento y estaciones base en túneles de metro. Es este componente de nuestra infraestructura (la denominada Track Side Network, TSN) el más costoso, y es la base del servicio único que creamos para nuestros suscriptores. Somos una empresa comercial, y nuestro modelo de negocio proporciona, en contraste con los operadores móviles, la generación de ingresos no para la transmisión de datos, sino para la publicidad y los servicios (algo con lo que las compañías de celulares sueñan, pero no saben cómo hacerlo). Debemos mostrar a los suscriptores una cierta cantidad de publicidad para que el servicio en sí siga siendo gratuito para ellos. Hoy, cada suscriptor elige entre una entrada sin interrupciones, pero tráfico pagado y comunicaciones celulares de baja calidad en el metro y entrada con publicidad, pero tráfico ilimitado y gratuito y una red accesible. Si en Moscú aparece una comunicación celular de buena calidad (hasta ahora solo MTS con nuestra ayuda proporciona una comunicación de voz confiable en el estándar 3G), entonces una pequeña parte de los suscriptores, especialmente aquellos para quienes la velocidad de ingreso a la red es muy importante, probablemente preferirán Su red wifi. No tenemos miedo de esto en absoluto, porque siempre podemos garantizar una mayor calidad de comunicación a través de nuestra red Wi-Fi en automóviles (velocidad, estabilidad y disponibilidad) que los operadores celulares con mucha menos inversión. Y la presencia o ausencia de su 5G no tiene absolutamente nada que ver con eso.
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