Что такое 4G?

Вопрос о том, что такое технологии беспроводной связи четвертого поколения 4G совсем не однозначен. Кто-то даже пытается называть 4G сети WiMAX и HSPA. Но это совершенно неверно. Недаром специалисты себе подобных высказывании не позволяют, используя термины 3.5G, 3.9G (по отношению к LTЕ и т. п. Поколение от поколения должно отличаться качественно, причем на всех уровнях - как технологическом, так и потребительском. В свое время переход от технологий сотовой связи первого поколения ко второму означал переход к цифровым технологиям на техническом уровне и к сервисам передачи данных (пусть и очень простым) на пользовательском.

Переход к 3G означал (означает) возможность передачи данных на скоростях, позволяющих смотреть видео -это качественно новый шаг. Технологически он основывается на прорыве в создании малопотребляющих микроэлектронных средств обработки сигналов - как цифровых (DSP), так и аналоговых (например, высокочастотные малошумящие усилители, полупроводниковые приборы на основе GaAs и других широкозонных полупроводниковых материалов). Микроэлектронные технологии глубоко субмикронного уровня (65-45 им и ниже) — это ни что иное, как снижение энергопотребления и увеличение функциональности в заданном объеме. Именно ради создания портативных устройств, в том числе телекоммуникационных, и ведут мировые лидеры полупроводниковых технологий пресловутую "гонку за нанометрами".

4g ноутбук

4G устройства - это полноценный мультимедийный "офис в кармане". Именно на это и направлены требования IMT-Advanced по обеспечению такими системами скорости в нисходящем канале до 100 Мбит/с для мобильных и 1 Гбит/с для номадических и фиксированных абонентов. Изначально они были сформулированы в рекомендации ITU-R М1645, сейчас пребывают в стадии постоянного уточнения. Это -возможность устанавливать голосовые соединения, одновременно возможность для различных информационных сервисов — работа в Интернете, обмена большими массивами данных, просмотр ТВ-трансляций (IPTV), видео по запросу или подобные девайсы.

И все это — за очень небольшие деньги. Как сотовая телефония позволила быть на связи всегда и везде (почти), так и системы 4G должны обеспечить всех и каждого надежным высокоскоростным доступом к различным сетям передачи данных. Низкая мобильность означает скорость пешехода, высокая — от 60 до 250 км/ч. Казалось бы, и мобильный WiMAX, и LTE/UMB с такой задачей справятся. А с увеличением скорости — наверняка. Однако возникает одна, но глобальная проблема. И имя ей совместимость. Много воды утекло с тех пор. как весь телекоммуникационный мир устами ITU провозглашал концепцию единой общемировой беспроводной сети. Теперь уже ясно — протоколов и технологий глобальных систем связи всегда будет несколько. Например, в пуле IMT-2000 — шесть различных стандартов с соответствующими им частотами. Группа стандартов IМТ-Advanced также будет представлена различными технологиями, и среди них наверняка будут и WiMAX релиз 2.0, и LTE Advanced, и UMB.

Все это — широкополосные технологии, но ни одна из них заведомо не получит 100%-ного распространения. Поэтому им нужно будет не просто совместно сосуществовать, а комфортно сосуществовать. И не мешая, а дополняя друг друга. Только такие технологии ориентированные на совместную работу и интеграцию на системном уровне - и можно относить к поколению 4G. Причем речь идет о взаимодействии технологий всех уровней — от широковешатетьных (например. DVB-T2) до сетей фиксированной связи.

Но за счет чего реально обеспечивается совместимость различных технологии? Для этого, прежде всего, необходимы согласованные протоколы работы в радиосети. Например, должна совпадать длительность кадров и зоны нисходящих и восходящих каналов при временном дуплексе. Обязательна масштабируемость по частотным полосам, причем с одинаковой для разных технологий кратностью (или поддерживаться работа в одинаковых по ширине полосах). Нужны средства гибкой адаптации и перестройки системы, в том числе на уровне антенных систем. Для этого все технологии IMT-Advanced должны поддерживать работу с адаптивными антенными системами, включая функции формирования диаграмм направленности антенных систем. А в перспективе и поддерживать динамическое цифровое диаграммообразование (ЦДО). На уровне опорных сетей интеграция должна быть еще более потной, вплоть до прозрачного обмена потоками между сетями с различными радиоинтерфейсами. Отметим, что все эти требования поддерживают перспективные стандарты, разрабатываемые как в рамках LTE-Advanced, так и WiMAX.

Таким образом, системы 4G можно определить как технологии. которые войдут в пул стандартов IMT-Advanced. На пользовательском уровне их будет отличать: высокая (от 100/1000 Мбит/с для мобильных/номадических абонентов) скорость. Это означает работу одновременно с несколькими мультимедийными потоками, различными по природе и требованиям к QoS, взаимная совместимость и активное взаимодействие.

Пользователь не должен ощущать ни помех от других сетей, ни проблем с межсетевой передачей данных. На уровне технологическом системы 4G будут характеризоваться: полным переходом к модуляции OFDM (работа в условиях переотражений); согласованностью совместной работы на уровне радиопротоколов физического уровня; высокой гибкостью при выборе частотных полос, частотных диапазонов, адаптивной перестройкой методов модуляции;
применением наиболее совершенных методов канального корректирующего кодирования (каскадные коды, коды LDPC, развитой системой многоуровневого интерливинга и т. п.); опорные/базовые сети полностью IP (с переходом к протоколам IPv6), появится возможность интеграции систем различных стандартов на базе единой NGN-сети (например, на основе технологии MPLS), поддержка платформы IMS.

Все перечисленные технологические особенности опираются на поистине революционные достижения последних лет в области микроэлектронной элементной базы. Это относится не только к функциональности самих приемопередающих устройств. Ведь сами по себе данные пользователю, как правило, не нужны — ему требуются средства их обработки. Конечный потребитель хочет смотреть ТВ и видео, обмениваться сообщениями, прикрепляя к ним большие файлы, слушать музыку, разговаривать и т.п. Для чего необходима интеграция сетевых устройств в ноут- и нетбуки, наладонные компьютеры, смартфоны и т. п. Более того, сети 4G без такого рода устройств попросту бесполезны. Сейчас эти устройства по отношению к массовому пользователю чуть дороговаты (в отношении нетбуков это уже неверно). Но через три года их цена неминуемо упадет до стоимости обычного сотового телефона. И тогда потребность на скоростной мобильный контент станет глобальной и всеобщей. Отметим этот факт — он нам пригодится чуть позднее.

Наряду с революционными изменениями в области микроэлектронной элементной базы происходят и не менее значимые изменения в сопутствующем программном обеспечении и создании принципиально нового интерфейса "человек-компьютер". Специалисты в области мобильного контента называют это заменой существующего сегодня интерфейса Web 2.0 на интерфейс будущего Web 3.0.

Ну и, конечно, огромное влияние на развитие широкополосной мобильной связи 4G оказывают (и будут оказывать) такие смежные технологии, как IEEE 802.11, а также технологии цифрового телевизионного и радиовешания. Стандарты 802.11 продолжают активно совершенствоваться, их уже давно нельзя позиционировать только как технологии для беспроводных локальных сетей. Известны многочисленные примеры, когда на основе методов 802.11 строились сети ШБД городского масштаба, причем с объединением нескольких регионов. А с появлением стандарта mesh-сетей 802.11s. высокоскоростных стандартов 802.11n и 802.11 VNT (в перспективе) это направление будет только развиваться.

Разумеется, стандартам 802.11 нет места в пуле IMT-Advanced. Для этого у них отсутствует ряд важных свойств — прежде всего, нет поддержки мобильности и высокой плотности абонентов. Не говоря уж об отсутствии единых частотных полос в лицензируемых диапазонах. Но ведь сети 802.11 специально создавались для работы в безлицензионных диапазонах частот. И их основное свойство, которое неизменно сохраняется во всех новых системах — простота инсталляции и низкая стоимость. Сегодня эта технология — доминирующая и фактически безальтернативная для беспроводных локальных сетей. Уже крайне сложно найти смартфон без поддержки 802.11 и практически невозможно найти такой ноутбук. Абонентское оборудование стоит порядка 10 долл. и менее, точки доступа (для работы внутри помещений) — порядка 100 долл. Огромная армия пользователей "бесплатно" оснащена адаптерами 802.11, этот интерфейс воспринимается как должное в мобильных устройствах (например, как USB-порт). Поэтому стандарты 802.11 незаменимы для формирования сети доступа в различных локальных зонах (гостиницы, кафе, аэропорты, вокзалы и т.п.).

Кроме того, технология 802.11 действенное решение для построения сетей фиксированной широкополосной связи в локальных зонах (город с населением порядка 100 тыс. жителей, "горячие зоны", а также регионы, где невозможны проекты с большими объемами инвестиций). Разумеется, в таких проектах, если идет речь о предоставлении операторского качества услуг, необходима работа в лицензируемом диапазоне и с существенно большими мощностями передатчиков, чем в случае домашних/офисных сетей. Вопрос о перспективности таких решений спорен, однако подобный опыт есть. И тут много будет зависеть от дальнейших решений национального регулятора радиочастотного спектра.

В частности, в России возможны два варианта:

    диапазоны 802.11 будут признаны безлицензионными (тогда автоматически возникнут ограничения на уровень эквивалентной изотропной мощности в антенне);
    будут выделяться частоты для "802.11-образных" сетей в нестандартных диапазонах.

Каждое такое решение способно существенно повлиять на судьбу технологии 802.11, но не кардинально. В любом случае сети 802.11 будут продолжать развиваться и сосуществовать с сетями 4G, оказывая на них большое влияние. Ведь все основные перспективные решения, которые заложены в стандарты 3,5-4G. изначально воплощались в оборудовании 802.11. Это и MIMO, и mesh-сети, и агрегация /фрагментация пакетов, и OFDM — перечислять можно долго.

Может быть, чуть меньшее, но тем не менее существенное влияние на 4G окажут и развивающиеся технологии цифрового вешания. Прежде всего, они в известной мере окажутся конкурентами ряду услуг 4G. Ведь в последних предусмотрена передача видео- и аудиоконтента. включая ТВ и радиотрансляции. Кроме того, изменяются и сами стандарты цифровых широковещательных сетей. Они становятся все более мультимедийными, с возможностью обратной связи и т.п. Как будет строиться взаимодействие таких сетей с сетями 4G? В ответ на этот вопрос можно только фантазировать. Возможно, в чуть более отдаленном будущем их ожидает слияние в единую технологию, возможно — возникнут различные интегральные решения. Может сохраниться и существующий паритет. Ведь вещательные технологии специально рассчитаны на возможность приема слабого сигнала, что дает им несомненное преимущество. Но одно несомненно — независимо существовать, не замечая друг друга, они не смогут.

И. разумеется, нельзя не упомянуть о развитии технологий сетей пакетной передачи. Собственно, развитие беспроводных сетей лишь отражает основные тенденции сетей проводных. А в этой области вот уже лет 20 неуклонными темпами происходят поистине революционные изменения. Причем настолько стабильно, что все успели к этому привыкнуть и перестали воспринимать как революцию. Технология пакетной коммутации уверенно вышла на уровень транспортных сетей, пройдя путь до мультисервисной транспортной платформы (MSTP) -технологии SDH следующего поколения. Пакеты Gigbit Ethernet (и последующих Ethernet-технологий) уже передают непосредственно по магистральным каналам волоконно-оптических линий связи (ВОЛС). Для предоставления мультимедийных услуг создана платформа IMS (IP Multimedia Subsystem) и протокол SIP (Session Initiation Protocol). Сети NGN с поддержкой MPLS (как наиболее эффективного сегодня механизма обеспечения QoS в мультимедийных сетях) уже получили широчайшее развитие. И все эти технологии, вкупе с не менее бурно прогрессирующими технологиями ВОЛС, обеспечивают для сетей ШБД прочнейший фундамент — как идеологический, так и формируя собственно наземную сетевую инфраструктуру. Недаром поддержка платформы IMS прямо прописана в спецификациях как LTE. так и WiMAX. А опорная сеть на основе ВОЛС с DWDM и поддержкой IP-MPLS — это не исключение, а скорее стандарт для современных беспроводных сетей широкополосного доступа.