近来，与预期的第五代蜂窝网络的大规模建设有关，越来越多地讨论了Wi-Fi网络的未来问题。 确实，在蜂窝网络为数十亿人提供高速Internet访问的世界中，为什么我们需要Wi-Fi？ 5G系列Wi-Fi标准会停止发展吗？ 技术是否会通过完成其“历史使命”而退出市场？ 本文致力于所有肯定回答这些问题的人。 我们希望了解网络技术的其他每个人也都会读起来很有趣。
扰流板我们决定用不朽的三部曲《黑客帝国》的镜头来说明有关两种技术“斗争”的文字，其中机器与人之间的斗争以共存告终。
尽管具有明显的重要性和一致性，但有关Wi-Fi和5G竞争的问题是基于对相关技术的人为反对，但是在应用程序模型上有所不同。 Wi-Fi易损性的大多数指控都属于移动运营商的代表，在本文结尾处，我们
将解释原因 。
同时，让我们尝试消除两个误解：“ 5G比Wi-Fi快得多”和“ Wi-Fi很快就会消失”。 首先，让我们回到过去，找出什么是5G和什么是Wi-Fi。
频率饥饿
5G代表着新一代的移动通信标准，许多人认为，这将在电信领域掀起新的革命。 同时，当时关于4G的类似观点也许更合理。 与3G 4G相比，它将数据传输速率提高了一个数量级，该技术获得了全新的无线电接口，核心网络的新架构以及为运营商（以及因此给订户）带来了许多新机遇。 就5G而言，有许多变化和改进，其中有些非常激进。 但是有一个重要的事实很少有人谈论：
基于5G标准，将创建三个不同类别的蜂窝网络 。 这些是用于使用1-6 GHz频段的蜂窝网络的传统场景的5G网络，用于连续覆盖领土的网络以及频率低于1 GHz的物联网（IoT）以及毫米波网络。 在可预见的将来，这三种类型的5G中只有第一类将广泛提供给普通移动用户。 另外两种类型将具有特殊的使用模式，我们也将讨论它们。
但是首先，关于急需解决的问题-有关订户的“超音速”。 在或多或少熟悉的1至6 GHz频率范围内运行的5G网络将被设计用于普通用户的大规模服务。 在较高的频率下，几乎不可能提供有限数量的强大基站（宏小区）的连续覆盖。 不幸的是，低于6 GHz的空闲频率很少，这是一个全球性的问题。 借助3G和4G，我们已经完成并继续进行频谱的部分转换，将各种类型的用户转移到其他频率范围，将来，将频率从旧标准改组为新标准。 显然，在通常范围内没有神奇的5G自由频率新来源。 实际上，一大批新的5G解决方案正是旨在缓解频率资源不足的问题。 蜂窝通信中新思想和新技术的目标始终是在不显着增加成本的情况下增加网络的容量和速度。 您究竟能想出什么来实现这个目标？ 5G为此提供了什么呢？
Wi-Fi救援
为了增加网络的容量和速度，可以获得新的频率。 如前所述，从根本上讲，无处可取，因此蜂窝通信正试图进入其他技术所占据的范围。 在5G中，正在进一步开发
将Wi-Fi频率用于蜂窝通信的方法 ，这些方法已经在4G中实现了许多实现。 对于世界上的Wi-Fi，分配了1-6 GHz频段中相当大一部分频谱（数百兆赫兹），移动运营商一直在寻找它们。
但是您根本无法从公共网络获取这些频率，因此正在开发一系列技术，这些技术可以同时将这些频率用于Wi-Fi和蜂窝通信，而不会对Wi-Fi的质量造成重大损害。 这是一个有趣的趋势。 从LTE-U技术中共享频段的简单重用（协调不力且对Wi-Fi有害）开始，首先发展了LAA技术（受3GPP Release 13支持），使用了先听后说（LBT）原理，然后是LWA和eLAA标准。 他们不再简单地确定共享频率的方法，而是描述了Wi-Fi和蜂窝无线子系统（分别受版本13和14支持）的直接协调技术（通过集成和数据交换）。 这里最重要的是
蜂窝网络和Wi-Fi的
协调与合作趋势。 记住他。 这些技术是否会影响蜂窝网络的预期速度和容量？ 当然，在这种趋势的帮助下，可以确保这些参数有一定的增加，但是这里不应该期待革命。
5G生长激素
如果频率不足，则需要
提高频谱效率 -在同一频带中，在一个通道中传输更多数据。 由于信号的调制和编码方案的更新，这里的5G比4G更好，但是无法期待根本的进步。 现代的调制系统已经接近物理极限，并且不能从根本上提高单个信道中蜂窝通信的实际可实现的频谱效率。 顺便说一下，在从3G过渡到4G的过程中，单个通道频谱效率的提高比在过渡到5G时的预期要重要得多。 然而，仍然存在提高使用频带来提供服务的效率的巨大潜力，但是这是通过更复杂的手段来实现的。 网络服务之间频率资源的这种分配，上下游数据信道之间资源的更有效分配，网络自组织，资源重组和小区协调，对多频率的更好支持（载波聚合）等。 所有这些将在5G中得到积极应用，并会产生积极的影响，但是这些方法大多数已在第四代中出现并正在发展。
如果不可能从根本上提高使用单个信道的效率，则合理的做法是尝试组织网络和同一频段内的一个或多个用户之间同时交换不同的数据流。 换句话说，有必要增加频率资源的重用水平。 为此，必须将以相同频率运行的数据通道彼此隔离，以避免相互干扰。 解决此问题的方法有几种，主要是在现有蜂窝网络中长期使用，并在5G中得到进一步发展。
蜂窝网络容量的增长一直是由上面列出的三个因素共同提供的：所用频谱的扩展，频谱效率的提高和频率复用水平的提高。 在过去的二十年中，重点一直放在重用技术上，它们为容量扩展做出了重大贡献。 根据各种估计，在蜂窝通信存在的整个期间，由于频率资源导致的容量增长了3-4倍，由于频谱效率提高了5-6倍，并且由于频率的使用得到了提高-40-60倍。
新技术不是生意重用频率的最著名的选择是安装许多单元：单元越多，使用相同频谱的次数就越多。 这种方法的主要局限性是在覆盖区域边界处的相互干扰（干扰）。 小区越多，其覆盖区域越小，且干扰较大的区域所占的份额就越大。 有许多方法可以解决这一问题-从根据基站的相对位置重新使用频带的策略，到在覆盖区域边界通过功率和相位来协调信号的复杂算法。 随着单元数量的增加，复杂性以及允许将它们一起使用的解决方案的成本也随之增加。
5G可以提高使用大量单元的效率，但是这种改进只是进化的。 看来5G的思想旨在摆脱宏观体系结构，但关于4G也有同样的说法。 在4G网络的大规模建设期间，市场期望小型小区在密集的城市发展以及其生产和消费爆炸性增长的条件下担当通信服务的主要提供商的角色。 市场上可获得高质量设备的许多微蜂窝架构和3GPP支持的解决方案不仅无人问津，而且还没有成为形成网络覆盖范围的主要方法。 室外覆盖仍然主要由宏小区组成，小型小区在很大程度上被用作附加工具，使您可以弥补覆盖范围中的“漏洞”并改善网络质量。 今天，使用小型蜂窝小区的一种非常普遍的模式是将它们安装在靠近宏蜂窝小区的位置。 同时，对网络进行参数化，以便宏小区附近的用户（位于无线电信号传播的理想条件附近，并能够以非常高的速度连接）将主要由其小型小区的服务，因为这些用户位于一定距离接收更多的小区资源，提高质量和通信速度。
维持小细胞的辅助作用以及细胞数量的相对缓慢增长的主要原因根本不是技术上的，而是经济的。 在过去的十年中，蜂窝网络的流量增长（无论蜂窝运营商怎么说）已经发生，尽管增长非常密集，但是在人们对4G初始投资时代的高度期望的背景下，增长速度比市场预期的要慢。 而且，更重要的是，移动运营商还没有学会如何从这种流量中赚钱。 在3G出现之时，蜂窝网络市场就已经意识到，随着网络中传输流量的迅速下降，将蜂窝运营商转变为“数据管道”的威胁。 如果您看看当时电信公司的领导人在行业会议上的演讲，他们会一致表示，几年后，移动运营商将向订户出售的不是基本服务（“语音”，消息和数据传输），而是内容和许多有用的服务（媒体，与控制，管理和安全，游戏等有关的通信）。 专家预测，这将成为电信运营商的主要收入来源。
当然，今天的移动运营商提供了许多有用的服务，但他们仍然从所有相同的旧数据，语音和消息中提取大部分收入。 直到现在，数据已移至第一位。 来自其他服务和内容的收入仍然只是一个不错的补充。 因此，近来非常保守的投资方法不可避免地影响了蜂窝网络的架构。 事实证明，小蜂窝在城市中的广泛采用在经济上是无利可图的，目前尚不清楚5G如何影响这一令人沮丧的事实。
智能手机和MIMO通过频率资源的重用来增加容量和速度的另一种方法是从一个小区到一个或多个用户的多信道接收和数据传输。 这是一类技术，具有通用名称MIMO（多输入多输出），是基于无线电信道空间多路复用的原理构建的。 5G规定使用所谓的 大规模MIMO（M-MIMO）和相关的双工技术（实际上，它们是基于使用多元素天线的通用方法的变体），从理论上讲，这使总无线网络吞吐量提高了数十倍。 此附加带宽可用于增加覆盖区域中同时服务的订户数量，或用于增加特定订户或订户组的数据传输速率。 利用并非在覆盖区域中的所有订户同时需要全部接入速度这一事实，Bimforming进一步提高了使用网络频率资源的效率。 其工作原理是信号功率的动态重新分配（使用定向波束的形成），有利于当前需要接收大量数据的那些用户。
M-MIMO是一项复杂的技术，需要创建具有数百个元件的相控阵天线，同时以合理的价格和外形使其能够在城市中使用（在城市之外根本不需要这样的系统）。 毫无疑问，M-MIMO最终将在基站中普及。 但是必须特别强调的是，对于用户而言，MIMO的使用受到价格，大小，能量参数以及可穿戴设备允许的辐射功率的限制。 在智能手机中实际上可实现的独立数据通道数量非常有限，其工作质量很大程度上取决于使用条件和与基站的距离。 因此，如果由于M-MIMO而造成的5G网络容量确实可以显着增加，那么网络与单个用户之间的数据交换速率将增长得更加缓慢，受到用户设备功能的限制，并且很大程度上取决于使用条件。
但是有个好消息：只需要非常大的投资
与4G相比，所有上述这些都可以显着提高在标准频率范围内运行的5G蜂窝网络的容量，但不能为单个用户提供任何突破性的通信速度增长。 蜂窝网络中的容量和数据速率的概念密切相关，但并不等同。 网络可以服务而不增加质量的服务的用户数量的增加并不意味着在实际条件下网络将为每个单独的用户更快地工作。
必须强调的是，要从上述创新中获得显着效果，您将必须安装更多基站，将它们连接到带宽增加的分组数据网络，使用更加复杂和昂贵的天线系统，并获得更多频谱。 没有魔术，您
需要大量的投资 。 他们通常在有业务的地方进行投资。 对于移动运营商来说，尚不清楚为什么要在具有连续覆盖范围和高容量的5G网络的大规模市场中投入大量资金。
物联网和高级4G网络
让我们简要介绍一下其他类型的5G网络。 其中最重要的是机器间通信网络或IoT（物联网）。 与前几代蜂窝通信相比，5G在这里具有很大的优势。 首先，这是一个低延迟水平（比4G低一个数量级），并且能够为一个小区的覆盖区域中的大量用户服务。 5G标准包括LPWA类别（低功耗广域网）的通信协议，该协议旨在以非常低的调制解调器功耗为大量用户进行低速，低强度通信。 得益于其架构和5G参数，不仅可以构建传感器网络（结合不同的传感器和执行器，例如城市系统），而且可以构建高度可靠的车辆控制系统（汽车和无人机）以及各种机器人和机器人联合体。 物联网5G网络将主要建立在1 GHz以下的频率上，其中一个小区的信号所覆盖的区域要比更高频率下的大得多。 同时，由于频谱不足，并且由于天线尺寸较大，难以使用频率低于1 GHz的Massive MIMO，因此普通用户难以在这些5G频率上进行高速通信。
第三种5G网络旨在为订户提供非常高速的通信。 这大约是每秒数十吉比特的峰值速度。 这些是波长范围小于一厘米（毫米范围）的高频范围内的网络，以前从未用于蜂窝通信。 之所以决定将这些范围包括在5G标准中，是因为它们具有非常大的未分配频谱区域（数百兆赫兹）。
许多争论5G通讯速度显着提高的人并没有完全意识到超高速
仅在毫米带网络中可用。 这些频率的信号以这样的方式分配，使得在通信中几乎总是需要在发射器和接收器的天线之间具有直接可见性（也就是说，信号实际上不会绕过障碍物），并且允许的（技术上可用的）辐射功率非常小。 这意味着在城市条件下要建立一个连续覆盖范围在毫米范围内的区域，您需要安装大量的小型小区。
公开估计表明，与足以在标准范围内形成覆盖范围的小区数量相比，大城市的小区数量需要增加500-1000倍。 不幸的是，即使这样也不能确保通信的连续性（订户不够成功，无法转身阻止来自基站的信号）。 没有其他实用的方法来创建连续封面（使用无人机和气球的项目除外）。 也就是说，在城市中连续覆盖的5G毫米波网络将变得非常昂贵，几乎不可能重用现有的基础架构，并且不适合在覆盖区域自由移动的普通用户。 另外，
没有适合嵌入在毫米范围内通信的标准智能手机和平板电脑中的
用户设备 ，并且它们不太可能在不久的将来出现。
由于上述原因，这种类型的网络将在中期用于解决将数据传输到固定（例如，房屋）或定期移动（火车，汽车，城市交通）对象的各种任务，以及组织单个热点（而不是普通热点）移动用户。5G, . ( 5-7 , ), 5G . 5G . 5G , , 4G. 5G , ( 5G ), , , , . LTE 100-150 Mbps, 10-40 Mbps, 5G 200-300 Mbps , 30-80 Mbps.
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Last but not least:
我还想评论地铁中的Wi-Fi网络问题。 如您所知，MaximaTelecom是莫斯科和圣彼得堡地铁的机车车辆中此类网络的运营商。 我们每天为大约150万唯一用户提供服务。 经常有人问我们，如何在地铁隧道中，特别是在5G标准中实现成熟的蜂窝通信的前景，以及这将如何影响我们的用户以及我们是否认为这将导致用户大量流向蜂窝网络。
我将从5G开始。 我记得5G的优势很大程度上基于MIMO技术。 在地铁隧道中，出于纯粹的物理原因，高阶MIMO和双模化将不起作用。 因此，就地铁隧道的数据传输速度和容量而言，5G网络与4G（此外，也与3G）之间不会有太大差异。 用户可用的网络速度和容量将主要由运营商可以在隧道中使用的频率资源决定，而不是由通信标准决定。 因此，我们认为城域内通信世代的变化不会以某种方式影响我们的用户群。 我们相信，高质量的蜂窝通信将出现在莫斯科的隧道中（如果有的话）的事实，比在某些不确定的未来切换到5G更为重要。
当然，使用网络的可用性和安全性问题非常重要。 蜂窝网络和公共Wi-Fi网络之间存在差异。 人们常说，对于公共网络的用户来说，最大的问题是网络中对身份识别的需求，这在我国是法律规定的。 MaximTelecom的经验表明，对绝大多数订户的一次性身份识别并不是使用该网络的障碍。 越来越多的订户担心我们每次进入网络时显示的广告。 MaximaTelecom利用自有资金和借贷资金建立网络，两个首都的地铁都没有为我们向乘客提供Wi-Fi服务（并且从未付款）而向我们付款。 相反，我们向地铁支付金钱，以获得将我们的基础设施放置在地铁中的权利。
创建和维护我们的网络的成本非常高，因为它们不仅包括Wi-Fi和分组数据网络，而且还包括在移动隧道和地铁隧道中的基站之间提供通信的
传输无线电网络 。 这是我们基础架构（所谓的轨道侧网络，TSN）中最昂贵的部分，而这正是我们为订户创建的独特服务的基础。 我们是一家商业公司，与移动运营商相比，我们的业务模式提供的收入不是用于数据传输，而是用于广告和服务（蜂窝公司梦dream以求的东西，但他们不知道如何做）。 我们必须向订户展示一定数量的广告，以便服务本身对他们免费。 如今，每个订户都可以在无缝入口，付费流量，地铁和入口处带有广告的低质量蜂窝通信之间进行选择，而广告则是免费的，无限制流量和可访问网络。 如果高质量的蜂窝通信出现在莫斯科（到目前为止只有MTS在我们的帮助下提供3G标准的可靠语音通信），那么一小部分用户，特别是那些网络访问速度非常重要的用户，将很可能会选择她的wifi网络。 我们一点都不担心，因为我们始终可以通过汽车上的Wi-Fi网络（速度，稳定性和可用性）确保比蜂窝运营商投资少得多的通信质量更高。 5G的存在与否与它完全无关。