В отличие от проводных сетей, в которых пропускную способность сети можно увеличить, просто установив дополнительные оптоволоконные линии, увеличить пропускную способность беспроводных систем намного сложнее. Беспроводные каналы в настоящее время работают близко к теоретическому физическому пределу, и дальнейшее значительное повышение эффективности маловероятно. Как следствие, наиболее многообещающим вариантом существенного увеличения пропускной способности является увеличение пропускной способности связи, поскольку достигаемая скорость передачи данных прямо пропорциональна пропускной способности.
Хотя некоторые усилия направлены на перераспределение радиочастотного спектра более низких частот, который в настоящее время используется для целей, отличных от передачи данных, достаточная полоса пропускания для поддержания экспоненциального роста трафика мобильных данных доступна только в очень высокочастотной части беспроводного спектра. В то же время эффективное пространственное повторное использование чрезвычайно важно, и, по оценкам, только оно увеличило пропускную способность беспроводной сети в 1600 раз за последние 50 лет.
В прошлом это в основном достигалось за счет уменьшения размера соты мобильных сетей, т.е.е., территория, обслуживаемая одной мобильной базовой станцией. В мобильных сетях также все чаще используются базовые станции с разным размером ячеек, (перекрывающимися) макро-, микро- и фемтосотами, чтобы повысить эффективность сети и пространственное повторное использование.
Стремление к более высоким частотам очевидно, например, в развитии стандарта IEEE 802.11 (на базе продуктов, использующих Wi-Fi). До сих пор широко используемый IEEE 802.11 стандартов (а именно IEEE 802.11b / g / n) используйте как нелицензионные 2.Диапазоны 4 ГГц и 5 ГГц.
Предстоящий IEEE 802.Стандарт 11ac, однако, работает только в диапазоне 5 ГГц, поскольку доступная полоса пропускания составляет 2.4GHz недостаточно для достижения запланированной скорости передачи данных. Хотя обе эти полосы частот обладают желаемыми характеристиками распространения радиоволн, они просто не обеспечивают достаточной полосы пропускания для удовлетворения будущих требований к пропускной способности, даже с учетом того, что регуляторы могут предоставить дополнительный спектр для использования Wi-Fi в ближайшем будущем. Самый последний IEEE 802.Стандарт 11ad делает большой шаг вперед и нацелен на нелицензированный спектр от 57 до 64 ГГц, известный как диапазон 60 ГГц. На частоте 7 ГГц он обеспечивает более чем в 80 раз большую пропускную способность по сравнению с более низкими полосами частот, используемыми для 802.11 и обещает скорость передачи данных около 7 Гбит / с. Последние достижения в разработке CMOS * (широко используемой технологии для создания интегральных схем) позволяют создавать недорогое радиооборудование с частотой 60 ГГц, и, следовательно, существует значительный коммерческий интерес к выводу на рынок устройств с частотой 60 ГГц в ближайшие годы.
Несмотря на эти желательные свойства, эта часть спектра страдает от сильного затухания и поглощения сигнала, что ограничивает связь в основном относительно короткими соединениями прямой видимости. (Прямая видимость — это характеристика распространения высокочастотного радио, при которой любое препятствие между передающей антенной и приемной антенной блокирует сигнал). Как следствие, предлагаемые варианты использования IEEE 802.11ad обычно включают направленные антенны с высоким коэффициентом усиления, чтобы компенсировать эти потери.
Такие направленные антенны особенно хорошо работают в статических двухточечных сценариях, таких как замена кабеля, обеспечивая потоковую передачу видео высокой четкости между плеером Blu-Ray и экраном телевизора или высокоскоростную передачу файлов для синхронизации данных мобильного устройства. Возврат к другим технологиям (например, в случае, если путь прямой видимости становится недоступным) явно рассматривается с помощью функции быстрой передачи сеанса.
Это обеспечивает бесшовную передачу сеанса из IEEE 802.11ad к устаревшей версии IEEE 802.11 работает на более низких частотах и поддерживает развертывания, в которых IEEE 802.11ad обеспечивает небольшие островки высокоскоростной связи, в то время как общее покрытие обеспечивается за счет низкочастотных технологий.
Значительно более широкая полоса пропускания (и, следовательно, более высокие несущие частоты) и эффективное пространственное повторное использование, необходимые для того, чтобы справиться с экспоненциальным увеличением будущих беспроводных данных, требуют радикального переосмысления беспроводных сетей.
Дальнейшее уменьшение размера ячеек и аналогичные меры, которые использовались для повышения пропускной способности в прошлом, явно недостаточны для обеспечения необходимого выигрыша. По аналогии с эволюцией проводного Ethernet от общей среды до полностью коммутируемой сети, мы считаем, что беспроводные сети должны развиваться от использования беспроводного канала в качестве общей среды до предоставления выделенных высокооптимизированных каналов для беспроводных устройств.
Таким образом, ключевым элементом масштабируемости будущих беспроводных сетей является предоставление большого количества высоконаправленных индивидуальных каналов для связи между точками доступа (AP) и конечными устройствами. У этого есть два основных преимущества.
Во-первых, высоконаправленные антенны обеспечивают усиление антенны, необходимое для эффективной высокоскоростной связи в очень высокочастотных областях, которые испытывают высокую степень затухания. На таких частотах для связи в первую очередь требуются каналы прямой видимости.
Во-вторых, из-за направленности такая система создает очень низкие помехи или вообще не оказывает их на другие оконечные устройства и, таким образом, допускает пространственное повторное использование, которое на порядки выше, чем у современных технологий. Все эти соображения еще больше применимы к будущим системам связи терагерцового диапазона, работающим на еще более высоких частотах выше 300 ГГц.
Основная проблема при таком подходе — динамическая радиосреда.
В сочетании с мобильными оконечными устройствами и движением людей даже внутренняя среда чрезвычайно динамична, и каналы могут появляться и исчезать через очень короткие промежутки времени. В то же время, поскольку такие каналы испытывают очень небольшие помехи, ресурсы (время, частота, обработка сигналов и т. Д.).), которые в противном случае использовались бы для обработки помех, теперь можно использовать для дальнейшего увеличения достижимых скоростей передачи данных между отправителем и получателем. Чтобы обеспечить достаточно много каналов прямой видимости, точки доступа, возможно, придется развернуть повсеместно, и их количество может значительно превосходить количество мобильных устройств.
В центре внимания исследований, проводимых IMDEA Networks в этой области, является разработка архитектуры беспроводной сети, которая поддерживает ряд направленных каналов прямой видимости между несколькими точками доступа (AP) и конечными устройствами.
Данные передаются одновременно по всем этим каналам. Конечное устройство использует несколько антенн для приема и декодирования нескольких таких потоков данных, и чем больше количество принятых потоков, тем выше скорость передачи данных, достигаемая на приемнике.
Основная сложность конструкции заключается в выборе точек доступа, а также в направлениях формирования диаграммы направленности их антенн, учитывая большое количество конечных устройств, которые будущие беспроводные сети должны будут поддерживать. В качестве резерва, когда невозможно установить направленные каналы и для своевременной передачи управляющей информации, система также использует обычную беспроводную локальную сеть, которая не требует каналов прямой видимости и использования направленных антенн.
Спектр для масс: создание сетей в миллиметровом диапазоне волн
По сравнению с современными беспроводными системами мы ожидаем, что такая архитектура
Масштабируется до очень высокой полосы пропускания и обеспечивает беспрецедентные уровни пространственного повторного использования, сохраняя при этом очень низкие уровни помех
Масштабируется до гораздо большего числа точек доступа, чем текущие развертывания, за счет централизации интеллектуальных данных и обработки на контроллере беспроводной сети и модуле кодировщика / декодера, что снижает стоимость и сложность точки доступа
Несмотря на значительное увеличение количества точек доступа, они могут работать с аналогичным или более низким уровнем энергопотребления по сравнению с существующими системами благодаря эффективным механизмам ожидания точки доступа
Мы считаем, что этот проект будет иметь существенное научное влияние как многообещающий путь вперед в проектировании беспроводных сетей одно поколение за другим.
Он решает большие проблемы беспроводной связи: пропускную способность, помехи, пространственное повторное использование и сложность обработки, чтобы обеспечить более масштабируемую, энергоэффективную и экономичную конструкцию беспроводной сети. Это исследование выполняется в рамках проекта SEARCHLIGHT, гранта ERC Consolidator в размере 1.7 миллионов евро присуждены Европейским исследовательским советом (ERC). Гранты ERC являются наиболее известными индивидуальными грантами для исследователей в Европе и основным показателем передового опыта в научных исследованиях.
Проект рассчитан на 5 лет, с апреля 2014 года по март 2019 года.
* Дополнительный металл-оксид-полупроводник