2.6.7. Технология 5G
Около 2014 года системы LTE достигли своего пика, и люди начали задумываться: что дальше? Разумеется, за четвертым поколением следует пятое. Вопрос о том, каким именно будет 5G, подробно обсуждался в работе Эндрюса и др. (Andrews et al., 2014). Через несколько лет под термином «5G» подразумевалось множество разных вещей — в зависимости от аудитории и того, кто говорит. По сути, очередное поколение технологий мобильных телефонных сетей свелось к двум основным факторам: более высокая скорость передачи данных и меньшая задержка, чем у сетей 4G. Конечно, это стало возможным благодаря конкретным технологиям, которые мы обсудим ниже.
Быстродействие сотовых сетей обычно оценивается по совокупной скорости передачи данных (aggregate data rate), она же пропускная способность на единицу площади (area capacity). Это общий объем данных в битах, который данная сеть способна передавать на единицу площади. Одна из целей, поставленных перед 5G, — увеличение пропускной способности на единицу площади на три порядка (то есть в 1000 раз больше, чем у 4G) с помощью сочетания следующих технологий:
1. Сверхуплотнение и разгрузка. Один из простейших способов повышения пропускной способности сети — увеличить количество сот на единицу площади. В то время как в сетях 1G соты были размером в сотни квадратных километров, сети 5G ориентированы на меньшие соты, включая пикосоты (диаметром менее 100 м) и даже фемтосоты (радиусом действия как у Wi-Fi, в несколько десятков метров). Одно из важнейших преимуществ уменьшения размера сот — возможность повторного использования спектра частот в заданной географической области. Это снижает число абонентов, конкурирующих за ресурсы конкретной базовой станции. Конечно, уменьшение размеров сот имеет и недостатки, в том числе усложнение управления мобильностью пользователей и передачи обслуживания.
2. Повышение полосы пропускания за счет использования волн миллиметрового диапазона. Основная часть спектра в предыдущих технологиях относилась к диапазону от нескольких сотен мегагерц до нескольких гигагерц (что соответствует волнам длиной от нескольких сантиметров до метра). Этот спектр все больше переполняется, особенно в местах скопления людей в час пик. В миллиметровом же диапазоне (20–300 ГГц, с длинами волн менее 10 мм) существуют значительные полосы неиспользуемого спектра. До недавних пор этот спектр считался неподходящим для беспроводной связи, поскольку более короткие волны хуже распространяются. Один из способов решения этой проблемы — использование больших массивов направленных антенн. Это существенный сдвиг в архитектуре по сравнению с предыдущими поколениями сотовых сетей: меняется все, начиная от свойств помех до процесса привязки пользователей к базовым станциям.
3. Повышение спектральной эффективности посредством усовершенствований технологии MIMO («multiple input, multiple output» — «несколько входов, несколько выходов»). MIMO увеличивает пропускную способность радиоканала за счет использования нескольких передающих и принимающих антенн. Это позволяет использовать многолучевое распространение, при котором радиосигнал может достичь приемника двумя или более путями. MIMO впервые стала применяться для Wi-Fi и сотовых технологий 3G примерно в 2006 году. Существует довольно много вариантов MIMO; в первых сотовых стандартах применялась MU-MIMO (Multi-User MIMO). Обычно эти технологии используют разнесенность пользователей в пространстве для нейтрализации взаимных помех, возможных на любом конце беспроводной передачи. Massive MIMO — одна из разновидностей MU-MIMO, при которой число антенн базовых станций увеличивается настолько, что их становится намного больше, чем конечных точек. Можно даже использовать трехмерный массив антенн — так называемую технологию FD-MIMO (Full-Dimension MIMO).
Еще одна возможность, которую дает 5G, — сегментация сети (network slicing). Операторы сотовой связи могут создавать многочисленные виртуальные сети поверх одной и той же физической инфраструктуры, выделяя части сети под конкретных потребителей. Части сети (и их ресурсы) распределяются между поставщиками приложений с разными запросами. Например, для приложения, требующего высокой пропускной способности, и для приложения с низкими требованиями можно выделить разные сегменты сети. Растет также популярность таких вспомогательных технологий сегментации сетей, как программно-определяемые сети (Software-Defined Networking, SDN) и виртуализация сетевых функций (Network Functions Virtualization, NFV). Мы обсудим эти технологии в следующих главах.
2.7. Кабельные сети
Стационарные и беспроводные телефонные системы, безусловно, сыграют важную роль в сетевых технологиях будущего, но на сети широкополосного доступа немалое влияние окажут и кабельные системы. Сегодня многие пользователи получают по кабелю услуги телевидения, телефона и интернета. В следующих разделах мы подробно рассмотрим сеть кабельного телевидения и сравним ее с уже изученными телефонными системами. Больше информации вы можете найти в работе Харте (Harte, 2017), а также в стандарте DOCSIS 2018 (в частности, относительно архитектур современных кабельных сетей).
2.7.1. История кабельных сетей: ТВ-системы коллективного приема
Кабельное телевидение возникло в конце 1940-х как способ улучшения телевизионного сигнала в сельской или горной местности. Изначально система состояла из большой антенны, установленной на возвышенности и принимающей телевизионный сигнал из эфира, усилителя — так называемой головной станции (headend) — и коаксиального кабеля, ведущего к домам абонентов (илл. 2.44).
Илл. 2.44. Первые системы кабельного телевидения
Сначала кабельное телевидение называлось ТВ-системами коллективного приема (Community Antenna Television, CATV) и было, по сути, семейным бизнесом. Любой разбирающийся в электронике человек мог настроить телевидение для жителей своего города, готовых оплатить расходы. По мере роста числа абонентов к первоначальной линии подсоединялись дополнительные кабели, а в случае необходимости добавлялись усилители. Передача была односторонней, от головной станции — пользователям. К 1970 году уже существовали тысячи независимых систем.
В 1974 году компания Time Inc. запустила новый канал телевидения Home Box Office, работающий исключительно через кабельную сеть. Затем появились и другие кабельные каналы: спортивные, новостные, кулинарные, исторические, научно-популярные, детские, каналы с фильмами и многие другие. Это привело к двум серьезным изменениям в отрасли. Во-первых, крупные корпорации начали скупать уже существующие кабельные системы и прокладывать новые кабели для привлечения новых пользователей. Во-вторых, возникла потребность в соединении множества систем, зачастую расположенных в разных городах, для распространения новых кабельных каналов. Операторы кабельного телевидения начали прокладывать магистрали между городами, чтобы соединить их в единую систему. Все это напоминало события в телефонной отрасли, происходившие за 80 лет до этого, когда изолированные друг от друга оконечные телефонные станции соединялись, чтобы можно было звонить по межгороду и в другие страны.
2.7.2. Широкополосный доступ в интернет по кабелю: сети HFC
Шли годы, кабельные системы росли, а кабели между городами сменились оптоволокном с широкой полосой пропускания, аналогично тому, как это происходило в телефонных системах. Системы, в которых на больших расстояниях прокладывается оптоволокно, а к домам ведут коаксиальные кабели, называются комбинированными оптокоаксиальными сетями (Hybrid Fiber Coax, HFC). Именно такая архитектура сегодня преобладает в современных кабельных сетях. Оптоволокно проводится все ближе и ближе к домам абонентов, как было описано в разделе, посвященном FTTX. Электронно-оптические преобразователи, служащие интерфейсом между оптоволоконной и электрической частями сети, называются оптоволоконными узлами (fiber node). А поскольку пропускная способность оптоволоконного кабеля гораздо выше, чем коаксиального, один оптоволоконный узел может раздавать поток данных на несколько коаксиальных кабелей. Часть современной системы HFC показана на илл. 2.45 (а).
