5G vs Wi-Fi: attentes et réalité

Récemment, la question de l'avenir des réseaux Wi-Fi a été de plus en plus discutée dans le cadre de la construction en masse attendue de réseaux cellulaires de cinquième génération. En effet, pourquoi avons-nous besoin du Wi-Fi dans un monde où les réseaux cellulaires fournissent à des milliards de personnes un accès Internet haut débit? La famille 5G de normes Wi-Fi cessera-t-elle de se développer? La technologie quittera-t-elle le marché en accomplissant sa «mission historique»? Cet article est dédié à tous ceux qui ont répondu par l'affirmative à ces questions. Tous ceux qui comprennent la technologie réseau, nous espérons que ce sera également intéressant à lire.


Malgré l'importance et la cohérence apparentes, les questions sur la rivalité entre le Wi-Fi et la 5G sont basées sur une opposition artificielle de technologies connexes, mais différentes dans les modèles d'application. La plupart des allégations de la fragilité du Wi-Fi appartient aux représentants des opérateurs de téléphonie mobile à la fin de cet article, nous allons expliquer pourquoi .

En attendant, essayons de dissiper deux idées fausses ensemble - «La 5G est beaucoup plus rapide que le Wi-Fi» et «Le Wi-Fi mourra très bientôt». Tout d'abord, remontons le temps et voyons ce qu'est la 5G et ce qu'est le Wi-Fi.

Fréquence de la faim

Par 5G, ils signifient une nouvelle génération de normes de communications mobiles qui, comme beaucoup le croient, feront une nouvelle révolution dans les télécommunications. Pendant ce temps, une opinion similaire concernant la 4G à l'époque était peut-être plus justifiée. Comparé à la 3G 4G, il a augmenté le taux de transfert de données d'un ordre de grandeur, la technologie a reçu une toute nouvelle interface radio, une nouvelle architecture du réseau central et de nombreuses nouvelles opportunités pour les opérateurs (et, par conséquent, pour les abonnés). Dans le cas de la 5G, il existe de nombreux changements et améliorations, et certains d'entre eux sont très radicaux. Mais il y a un fait important dont on parle rarement: sur la base des normes 5G, des réseaux cellulaires de trois catégories différentes seront créés . Il s'agit de réseaux 5G pour les scénarios traditionnels d'utilisation d'un réseau cellulaire dans les bandes 1-6 GHz, de réseaux pour une couverture continue du territoire et de l'Internet des objets (IoT) à des fréquences inférieures à 1 GHz et des réseaux à ondes millimétriques. Et seul le premier de ces trois types de 5G sera largement disponible pour les abonnés mobiles ordinaires dans un avenir prévisible. Les deux autres types auront des modèles d'utilisation spéciaux, dont nous parlerons également.



Mais d'abord, sur le problème brûlant - sur les «vitesses supersoniques» pour les abonnés. Les réseaux 5G fonctionnant dans les gammes de fréquences plus ou moins connues de 1 à 6 GHz seront conçus pour le service de masse des abonnés ordinaires. À des fréquences plus élevées, il est presque impossible de fournir une couverture continue avec un nombre limité de stations de base puissantes (macro-cellules). Malheureusement, il y a peu de fréquences libres en dessous de 6 GHz, et c'est un problème mondial. Avec la 3G et la 4G, nous avons déjà traversé et continuons de passer par la conversion de parties du spectre, le transfert de divers types de consommateurs vers d'autres gammes de fréquences, à l'avenir, le recadrage des fréquences des anciennes normes aux plus récentes. Évidemment, il n'y a pas de nouvelle source magique de fréquences libres pour la 5G dans les gammes habituelles. En fait, un grand groupe de nouvelles solutions 5G vise précisément à atténuer le problème d'un manque de ressources en fréquence. Le but des nouvelles idées et technologies dans les communications cellulaires est toujours d'augmenter la capacité et la vitesse du réseau sans augmenter considérablement son coût. Que pouvez-vous trouver exactement pour atteindre cet objectif? Et qu'offre exactement la 5G pour cela?

Wi-Fi à la rescousse

Pour augmenter la capacité et la vitesse du réseau, de nouvelles fréquences pourraient être obtenues. Comme nous l'avons déjà mentionné, il n'y a en général nulle part où les prendre, de sorte que la communication cellulaire essaie d'aller dans les domaines occupés par d'autres technologies. En 5G, les méthodes d'utilisation des fréquences Wi-Fi avec les communications cellulaires , qui ont déjà un certain nombre d'implémentations en 4G, sont en cours de développement. Pour le Wi-Fi dans le monde, des sections assez larges du spectre (des centaines de mégahertz) dans la bande 1-6 GHz sont allouées, et les opérateurs mobiles les recherchent depuis longtemps.

Mais vous ne pouvez tout simplement pas prendre ces fréquences à partir des réseaux publics, donc une famille de technologies est en cours de développement qui peut utiliser simultanément ces fréquences pour le Wi-Fi et les communications cellulaires, sans nuire considérablement à la qualité du Wi-Fi. Il s'agit d'une tendance intéressante. De la simple réutilisation de la bande partagée dans la technologie LTE-U (mal coordonnée et nuisible au Wi-Fi), le développement est d'abord passé à la technologie LAA (prise en charge par 3GPP version 13), en utilisant le principe Listen Before Talk (LBT), puis aux normes LWA et eLAA. Ils ne déterminent plus simplement la méthode de partage des fréquences, mais décrivent également la technique de coordination directe (via l'intégration et l'échange de données) des sous-systèmes Wi-Fi et radio cellulaire (pris en charge respectivement par les versions 13 et 14). La chose la plus importante ici est la tendance à la coordination et à la coopération des réseaux cellulaires et du Wi-Fi . Souviens-toi de lui. Ces technologies affecteront-elles la vitesse et la capacité attendues des réseaux cellulaires? Bien sûr, à l'aide de cette tendance, une certaine augmentation de ces paramètres peut être assurée, mais il ne faut pas s'attendre à une révolution ici.

Hormones de croissance 5G

S'il n'y a pas assez de fréquences, vous devez augmenter l'efficacité spectrale - dans la même bande de fréquences, transmettez plus de données sur un canal. Ici, la 5G est meilleure que la 4G en raison des mises à jour des schémas de modulation et de codage du signal, mais aucun progrès radical n'est à prévoir. Les systèmes de modulation modernes sont déjà proches des limites physiques et l'efficacité spectrale pratiquement réalisable des communications cellulaires dans un seul canal ne peut pas être radicalement augmentée. Soit dit en passant, lors de la transition de la 3G à la 4G, l'augmentation de l'efficacité spectrale d'un seul canal a été plus importante que prévu lors de la transition vers la 5G. Néanmoins, il existe encore un potentiel important pour accroître l'efficacité de l'utilisation de la bande de fréquences pour la fourniture de services, mais il est réalisé par des moyens plus complexes. Cette répartition de la ressource de fréquence entre les services du réseau, une répartition plus efficace de la ressource entre le canal de transmission de données en amont et en aval, l'auto-organisation du réseau, la recombinaison des ressources et la coordination des cellules, un meilleur support pour la multifréquence (agrégation de porteuses), etc. Tout cela sera activement utilisé en 5G et aura un effet positif, mais la plupart de ces approches sont déjà présentes et se développent dans la quatrième génération.

S'il est impossible d'améliorer radicalement l'efficacité d'utilisation d'un seul canal, il est logique d'essayer d'organiser l'échange simultané de différents flux de données entre le réseau et l'abonné ou les abonnés dans la même bande de fréquence. En d'autres termes, il est nécessaire d'augmenter le niveau de réutilisation de la ressource fréquence. Pour ce faire, les canaux de données fonctionnant sur la même fréquence doivent être isolés les uns des autres afin d'éviter les interférences mutuelles. Il existe plusieurs approches pour résoudre ce problème, principalement utilisées depuis longtemps dans les réseaux cellulaires existants et développées en 5G.

La croissance de la capacité des réseaux cellulaires a toujours été fournie par une combinaison des trois facteurs énumérés ci-dessus: l'expansion du spectre utilisé, l'augmentation de l'efficacité spectrale et l'augmentation du niveau de réutilisation des fréquences. Au cours des deux dernières décennies, l'accent a été mis sur les techniques de réutilisation et elles ont contribué à une augmentation importante de l'expansion des capacités. Selon diverses estimations, pendant toute la période d'existence des communications cellulaires, la capacité due à la ressource en fréquence a augmenté de 3 à 4 fois, en raison de la croissance de l'efficacité spectrale de 5 à 6 fois, et en raison d'une meilleure utilisation des fréquences - de 40 à 60 fois.

Mais il y a une bonne nouvelle: de très gros investissements sont juste nécessaires

Tout ce qui précède peut donner une augmentation significative de la capacité des réseaux cellulaires 5G fonctionnant dans des gammes de fréquences standard par rapport à la 4G, mais ne peut pas donner une croissance révolutionnaire dans la vitesse de communication disponible pour un abonné individuel. Les concepts de capacité et de débit de données dans un réseau cellulaire sont étroitement liés, mais pas équivalents. L'augmentation du nombre d'abonnés que le réseau peut desservir sans perte de qualité ne signifie pas que le réseau fonctionnera beaucoup plus rapidement pour chaque abonné individuel dans des conditions réelles.

Il faut souligner que pour obtenir un effet significatif des innovations décrites ci-dessus, vous devrez installer plus de stations de base, les connecter à des réseaux de données par paquets avec une bande passante accrue, utiliser des systèmes d'antennes beaucoup plus complexes et coûteux et obtenir plus de spectre. Pas de magie, vous avez besoin d'un très gros investissement . Et ils investissent généralement là où il y a une entreprise. Pour les opérateurs mobiles, il n'est pas encore clair pourquoi investir d'énormes sommes d'argent dans le segment de masse des réseaux 5G avec une couverture continue et une capacité élevée.

Réseau pour IoT et 4G supérieur

Arrêtons-nous brièvement sur d'autres types de réseaux 5G. Le plus important d'entre eux est le réseau de communication inter-machines ou IoT (Internet Of Things). Ici, la 5G présente de grands avantages par rapport aux générations précédentes de communications cellulaires. Il s'agit tout d'abord d'un faible niveau de retard (un ordre de grandeur inférieur à celui de la 4G) et de la possibilité de desservir un très grand nombre d'abonnés dans la zone de couverture d'une cellule. Les normes 5G incluent les protocoles de communication de la catégorie LPWA (Low Power Wide Area), qui sont conçus pour la communication à faible vitesse et à faible intensité d'un très grand nombre d'abonnés à une très faible consommation d'énergie des modems. Grâce à l'architecture et aux paramètres 5G, il est possible de construire non seulement des réseaux de capteurs (combinant différents capteurs et actionneurs, par exemple des systèmes urbains), mais également des systèmes de contrôle de véhicules très fiables (voitures et drones) et divers robots et complexes robotiques. Les réseaux IoT 5G seront principalement construits à des fréquences inférieures à 1 GHz, où la zone couverte par le signal d'une cellule est beaucoup plus grande qu'à des fréquences plus élevées. Dans le même temps, il est peu probable que la communication à haut débit à ces fréquences 5G pour les abonnés ordinaires soit disponible, en raison du manque de spectre et parce que le MIMO massif à des fréquences inférieures à 1 GHz est difficile à utiliser en raison de la grande taille des antennes.

Le troisième type de réseau 5G est conçu pour fournir aux abonnés des communications à très haut débit. Il s'agit de vitesses de pointe pouvant atteindre des dizaines de gigabits par seconde. Ce sont des réseaux dans les gammes haute fréquence avec des longueurs d'onde de moins d'un centimètre (gammes millimétriques) qui n'ont jamais été utilisés auparavant pour les communications cellulaires. La raison pour laquelle nous avons décidé d'inclure ces plages dans la norme 5G est qu'elles ont de très grandes régions spectrales non allouées (plusieurs centaines de mégahertz).

Beaucoup de gens qui soutiennent une augmentation significative de la vitesse de communication en 5G ne se rendent pas pleinement compte que les vitesses ultra-élevées ne seront disponibles que dans les réseaux à bande millimétrique . Les signaux de ces fréquences sont répartis de manière à ce que la visibilité directe entre les antennes de l'émetteur et du récepteur soit presque toujours nécessaire pour la communication (c'est-à-dire que le signal ne contourne pratiquement pas les obstacles), et la puissance de rayonnement autorisée (et techniquement disponible) est très faible. Cela signifie que dans les conditions de la ville pour construire un champ de couverture continue au millimètre près, vous devez installer un grand nombre de petites cellules.



Les estimations publiquement disponibles montrent que pour les grandes villes, le nombre de cellules devra être augmenté de 500 à 1 000 fois, par rapport au nombre de cellules suffisant pour former une couverture dans des plages standard. Malheureusement, même cela n'assurera pas la continuité de la communication (l'abonné ne parvient pas à se retourner pour bloquer le signal de la station de base). Il n'y a pas d'autre moyen pratique de créer une couverture continue (sauf pour les projets utilisant des drones et des ballons). Autrement dit, le réseau à ondes millimétriques 5G avec une couverture continue dans la ville se révélera très coûteux, il est presque impossible de réutiliser l'infrastructure existante et il ne convient pas aux abonnés ordinaires qui se déplacent librement dans la zone de couverture. En outre, aucun équipement d'abonné ne peut être intégré dans les smartphones et tablettes standard pour une communication au millimètre près, et il est peu probable qu'ils apparaissent dans un avenir proche. , (, ) (, , ) , , .

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Dernier point mais non le moindre: à propos du métro

Je voudrais également commenter la question des réseaux Wi-Fi dans le métro. Comme vous le savez, MaximaTelecom est l'opérateur d'un tel réseau dans le matériel roulant du métro de Moscou et Saint-Pétersbourg. Nous desservons quotidiennement environ 1,5 million d'abonnés uniques. On nous demande souvent ce que nous pensons de la perspective de l'arrivée de communications cellulaires à part entière dans les tunnels de métro, en particulier dans la norme 5G, et comment cela affectera nos abonnés et si nous pensons que cela entraînera une sortie importante d'abonnés vers les réseaux cellulaires.

Je vais commencer par la 5G. Les avantages de la 5G, je le rappelle, sont largement basés sur la technologie MIMO. Dans les tunnels de métro, pour des raisons purement physiques, les MIMO d'ordre élevé et la bimformage ne fonctionneront pas. Par conséquent, le réseau 5G en termes de vitesse et de capacité de transfert de données dans les tunnels de métro ne différera pas de manière significative de la 4G (en plus de la 3G également). La vitesse et la capacité du réseau disponibles pour les abonnés seront principalement déterminées par la ressource en fréquence que les opérateurs peuvent utiliser dans les tunnels, et non par la norme de communication. Par conséquent, nous ne pensons pas que le changement des générations de communication dans le métro affectera en quelque sorte notre base d'abonnés. Nous pensons que le fait même que des communications cellulaires de haute qualité apparaîtront dans des tunnels à Moscou (si cela arrive) sera beaucoup plus important que le passage à la 5G dans un avenir incertain.

Bien sûr, la question de l'utilisabilité et de la sécurité de l'utilisation des réseaux est très importante. Il existe une différence entre un réseau cellulaire et un réseau Wi-Fi public. On dit souvent que pour les abonnés des réseaux publics, le gros problème est le besoin d'identification dans le réseau, qui dans notre pays est dicté par la loi. L'expérience de MaximTelecom montre que l'identification unique requise pour la grande majorité des abonnés n'est pas un obstacle à l'utilisation du réseau. Beaucoup plus d'abonnés sont préoccupés par les publicités que nous affichons chaque fois que nous entrons sur le réseau. MaximaTelecom construit des réseaux en utilisant ses fonds propres et empruntés, les métros de deux capitales ne nous paient pas pour le fait que nous fournissons des services Wi-Fi aux passagers (et jamais payés). Au contraire, nous payons de l'argent aux métros pour le droit de placer nos infrastructures dans le métro.

Le coût de création et de maintenance de nos réseaux est très élevé, car ils comprennent non seulement le Wi-Fi et les réseaux de données par paquets, mais également un réseau radio de transport qui assure la communication entre les trains en mouvement et les stations de base dans les tunnels de métro. C'est cette composante de notre infrastructure (le soi-disant Track Side Network, TSN) qui est la plus chère, et c'est elle qui est la base du service unique que nous créons pour nos abonnés. Nous sommes une entreprise commerciale, et notre modèle d'entreprise fournit, contrairement aux opérateurs mobiles, une génération de revenus non pas pour la transmission de données, mais pour la publicité et les services (ce dont les entreprises de téléphonie cellulaire rêvent, mais elles ne savent pas comment faire). Nous devons montrer aux abonnés une certaine quantité de publicité afin que le service lui-même reste gratuit pour eux. Aujourd'hui, chaque abonné fait le choix entre une entrée transparente, mais du trafic payant et des communications cellulaires de faible qualité dans le métro et une entrée avec de la publicité, mais un trafic illimité gratuit et un réseau accessible. Si une communication cellulaire de bonne qualité apparaît à Moscou (jusqu'à présent, seul MTS avec notre aide fournit une communication vocale fiable en standard 3G), alors une petite partie des abonnés, en particulier ceux pour lesquels la vitesse d'entrée sur le réseau est très importante, préféreront très probablement son réseau wifi. Nous n'en avons pas du tout peur, car nous pouvons toujours garantir une meilleure qualité de communication via notre réseau Wi-Fi dans les voitures (vitesse, stabilité et disponibilité) que les opérateurs cellulaires avec beaucoup moins d'investissement. Et la présence ou l'absence de leur 5G n'a absolument rien à voir avec cela.