|
Мобильный Интернет настоящего и будущего
Главная /
Архив номеров / 2015 / Выпуск №5 (48) / Мобильный Интернет настоящего и будущего
Рубрика:
Мобильные технологии
Facebook
Мой мир
Вконтакте
Одноклассники
Google+
Антон Степутин; Александр Карпушенко, руководитель 1234G.ru, к.т.н., доцент СПбГУТ; корреспондент 1234G.ru, студент СПбГУТ
Мобильный Интернет настоящего и будущего
В статье рассмотрена динамика развития услуг мобильной связи и их востребованность абонентами, развитие сетей стандарта LTE и абонентского оборудования, описаны инновационные технологии в сетях мобильной связи, приведены требования к сетям пятого поколения (5G)
Развитие инфраструктурной и технологической базы сетей мобильной связи – непрерывный процесс. Этому способствуют постоянно растущие требования, предъявляемые рынком: появляются новые мобильные приложения, услуги выходят на новый качественный уровень, меняется структура потребления контента.
На рис. 1 представлен отчет Ericsson по распределению видов мобильного трафика, согласно которому мобильное видео доминирует и будет занимать около 55% всего трафика мобильных данных к 2019 году, а социальные сети по-прежнему будут потреблять 15% всего мобильного трафика [1].
Рисунок 1. Распределение мобильного трафика по сегментам
Однако на этот счет есть и другое мнение. По данным компании Cisco [2], трафик мобильного видео вырос c 50% на конец 2012 года до 55% от всего потребленного трафика на конец 2014-го. Такая тенденция роста популярности мобильного видео сохранится до 2019 года, когда мобильное видео будет составлять почти 3⁄4 всего мобильного трафика или 72% к концу исследуемого периода, как показано на рис. 2.
Рисунок 2. Прогноз компании Cisco по росту потребления мобильного видео
Ценность услуг мобильной связи для абонента отображена на рис. 3 [3], согласно которому голосовые услуги неизменно важны для абонентов. В свою очередь, услуга SMS прошла пик актуальности в 2000-е годы, и в настоящее время ее значимость для абонентов падает в связи с развитием современных мессенджеров, передающих моментальные сообщения через сеть Интернет. Объем данных, передаваемых через сети мобильной связи, с каждым годом растет.
Рисунок 3. Ценность мобильной связи для потребителя. Успех различных базовых сервисов
В настоящее время именно передача данных является драйвером роста выручки операторов. По официальным отчетам операторов мобильной связи за 2014 год объем трафика, прошедшего через их сети, вырос почти в два раза. Если несовершенствовать инфраструктуру, не внедрять новые технологии и новые поколения мобильной связи, то сети операторов не будут справляться с постоянно возрастающими нагрузками.
На рис.3 также видно, что VAS (англ. Value Added Services – услуги с добавленной стоимостью) имели пик популярности в начале 2010-х годов, а в настоящее время интерес к ним среди абонентов ослабевает. И здесь возникает логичный вопрос: «Куда уходят сервисы?» Ответ очевиден: «В данные на смартфонах». Постепенно услуги переходят в сеть Интернет: в основном в социальные сети (Твиттер, Facebook, ВКонтакте и т.п.). Аудитория одного из самых известных мессенджеров WhatsApp в России составляет 10 миллионов человек [3].
В настоящее время если человек покупает новый телефон, то это в большинстве случаев смартфон. В России в 2014 году было продано 43 млн устройств, из которых 61%, или 26 млн штук, – смартфоны [4]. Доля российских продаж смартфонов в суммарных мировых продажах составляет лишь 2%.
Динамика появления устройств, поддерживающих LTE, приведена на рис. 4.
Рисунок 4. Динамика роста числа моделей устройств с поддержкой LTE
На рис. 5 приведено распределение абонентских устройств, поддерживающих LTE. Почти половина из них – это смартфоны, их сертифицировано 1589 моделей, что составляет 54,4% [5].
Рисунок 5. Распределение абонентских устройств LTE
На втором месте – роутеры и мобильные роутеры, дальше с серьезным отрывом – USB-донглы (модемы), встраиваемые модули, планшеты с LTE и так далее.
К 2020 году 70% трафика мобильных данных станут генерировать смартфоны, и это значение будет превышать весь трафик, генерируемый на сегодняшний день всеми устройствами, в пять раз [6].
Технические тренды в мире
Рассмотрим тренды и перспективы в мире мобильного доступа в Интернет.
Как видно из рис. 6 [7], в настоящее время сети 3G продолжают развиваться: вводятся новые технологии высокоскоростной передачи данных, операторы совершенствуют сетевую инфраструктуру.
Рисунок 6. Дорожная карта 5G
Попутно с этим активно внедряются сети 4G и уже идут исследования в области 5G. При этом пик развития технологии 3G будет ориентировочно в 2016 году, а технологии 4G – в 2021-м. Примерно в то же время, в 2020 году, начнут вводиться в коммерческую эксплуатацию сети 5G.
Динамика запуска сетей стандарта LTE в коммерческую эксплуатацию представлена на рис. 7, согласно которому на конец 2014 года было запущено 364 сети, на первую декаду апреля 2015-го во всем мире уже запущено 393 сети, а наконец 2015-го, по данным аналитической компании GSA (англ. Globalmobile Suppliers Association – Международная ассоциация поставщиков мобильной связи), планируется запустить более 460 сетей [8].
Рисунок 7. Динамика запуска сетей LTE в коммерческую эксплуатацию
Как видно из рис. 8, самым популярным частотным диапазоном, поддерживающим частотный дуплекс (FDD), является 1800 МГц (band 3). На сегодняшний день почти 45% сетей запущено в этом частотном диапазоне [8].
Рисунок 8. Распределение количества сетей LTE по частотным диапазонам
На втором и третьем местах по числу запущенных сетей в мире находятся традиционно российские диапазоны: 2600 МГц (band 7) и 800 МГц (band 20). На их долю приходится 24,7% и 21,4% всех запущенных в мире сетей стандарта LTE соответственно. В России в band 20 каждому из операторов выделена полоса 7,5 МГц.
Как было отмечено ранее, объем передаваемых данных через сети операторов мобильной связи постоянно растет (см. рис. 9) [2].
Рисунок 9. Прогнозируемый рост объема передаваемых данных в сетях мобильной связи (Cisco)
В связи с этим многие операторы сталкиваются с проблемами перегрузки своих сетей. Одним из решений проблемы лавинообразно растущего трафика является эволюция технологии LTE.
Технология LTE-Advanced была специфицирована в релизе 10 стандартов 3GPP, главным принципом которой была агрегация частотных полос.
Рассмотрим способы повышения пропускной способности сетей стандарта LTE/LTE-Advanced:
- Улучшение макроуровня:
- Введение модуляции 64-КАМ для передачи высокоскоростного трафика при хороших условиях приема сигнала.
- Введение многоантенных технологий MIMO (англ. Multiple Input Multiple Output).
- Агрегация частотных полос.
- Запуск программно-активируемой функции 4RxDiv (англ. 4 Receive Diversity – разнесенного приема).
- Использование разнесенного приема с подавлением мешающих компонент (англ. Interference Rejection Combining, IRC).
- Возможность одновременного использования сразу двух частот (англ. Dual Carrier, DC).
- Дополнительная секторизация базовых станций (БС).
- Уплотнение макроуровня:
- Установка сот в ландшафте города.
- Использование компактных макросот в стратегически важных местах.
- Развитие микроуровня:
- Использование структур сети с релейными станциями.
- Использование распределенных антенных систем, таких как вынесенные радиоголовки (англ. Remote Radio Unit, RRU).
- Подключение к сети пико и фемто сот.
- Использование Wi-Fi для разгрузки сети LTE (WiFiOffloading).
Развитие микроуровня – наиболее оптимальный подход с точки зрения операторов мобильной связи, поскольку требуется установить микро БС небольшой мощности, которые можно размещать в заданиях, на столбах двойного назначения,на рекламных конструкциях, т.е. везде, где в этом, по мнению оператора, есть необходимость.
Таким образом, вводится такое понятие, как «гетерогенные сети» (HetNet), которые подразумевают наличие как макро-, так и микроуровня (см. рис. 10) [9].
Рисунок 10. Принципы построения гетерогенных сетей
Принцип работы гетерогенной сети следующий: в местах большого скопления людей (стадион, парк, торговый центр, аэропорт и т.п.), где нужно увеличить пропускную способность сети, устанавливают микро БС, или Wi-Fi-точки доступа, которые могут быть как доверенными (принадлежать оператору), так и нет.
К преимуществам Small Cell можно отнести:
- Улучшение покрытия.
- Повышение емкости сети и скорости передачи данных.
- Увеличение числа обслуживаемых абонентов.
- Рост общесетевого трафика.
- Уменьшение мощности излучения абонентского устройства и, как следствие, медленная разрядка аккумуляторной батареи.
В домах типовой застройки для обеспечения качественным покрытием всех жильцов оператору необходимо на каждом этаже и в каждом подъезде установить по два Small Cell, так как если установить их через этаж, то покрытие промежуточного этажа составит 50%.
Иными словами, оценка зоны покрытия с помощью Small Cell показывает, что их применение внутри жилых помещений неэффективно, поскольку Small Cell имеют малую мощность излучения, а затухание между этажами значительное.
В связи с этим гораздо эффективнее применять уличные (Outdoor) Small Cell, которые позволят обеспечить качественным покрытием нижние этажи зданий (до 10 этажа). В хот-спотах (торговых центрах, аэропортах и т.п.) применение Small Cell оправдано, так как там сосредоточено большое количество людей, а затухание сигнала ввиду отсутствия многочисленных перегородок в таких помещениях невелико, в связи с чем он распространяется на большие расстояния безсущественных потерь.
Другой технологией повышения пропускной способности сетей мобильной связи является перенос части нагрузки из сети LTE в сети Wi-Fi (Оffloading) [7]. Соответственно чем больше точек доступа Wi-Fi на квадратный километр, тем больше абонентов может быть переведено в сеть Wi-Fi, тем самым разгружая сеть LTE (см. рис. 11).
Рисунок 11. Зависимость плотности точек доступа от числа переведенных в Wi-Fi
Прохождение голосовых вызовов в сетях LTE
На 9 апреля 2015 года в коммерческой эксплуатации находилось всего 16 сетей в мире с поддержкой голосовых услуг в LTE (англ. VoiceoverLTE, VoLTE) [5]. В остальных сетях абонентские терминалы, работающие в сети LTE, на время осуществления голосового вызова переключаются в сеть GSM или UMTS, а сессия передачи данных через LTE на это время либо приостанавливается с восстановлением после завершения вызова, либо также переходит в GSM/UMTS. Поданным на апрель 2015 года, из всех мобильных устройств только 196 моделей устройств поддерживает VoLTE [5].
По прогнозам, к 2016 году VoLTE займет не более 14% рынка VoIP, при этом большую часть рынка будут контролировать OTT-сервисы [11]. К концу 2019-го ожидается, что число пользователей VoLTE составит 56% от общего числа подключений к сетям LTE [12].
Также для пользователей сетей LTE предусмотрена возможность в случае деградации покрытия LTE и невозможности дальнейшего обслуживания голосового вызова хэндовера из сетей LTE с пакетной коммутацией в сети 2G/3G скоммутацией каналов. Эта функция называется SRVCC (англ. Single Radio Voice Call Continuity – реализация непрерывности голосового вызова).
Другие инновационные технологии в сетях мобильной связи
Для улучшения качества обслуживания абонентов, увеличения скоростей в сетях мобильной связи предложена технология согласованной многоточечной передачи и приема CoMP (англ. Coordinated Multi-Point Operation). Прииспользовании СоМР абонентский терминал получает обслуживание не от одной БС, а от группы БС, которые могут принадлежать сетям разного уровня: макро, микро, пико и т.д. [13]. К преимуществам CoMP можно отнести: улучшение отношения сигнал/помеха на краю соты и сокращение межсотовой интерференции.
Другим вариантом повышения пропускной способности сетей на краю сот, а также ликвидации зон с плохим покрытием является внедрение узлов ретрансляции (англ. Relay Nodes) [14].
Процедура ретрансляции сигналов в LTE-Advanced спланирована в стандартах 3GPP для улучшения покрытия и увеличения пропускной способности сети. При стандартизации в 3GPP рассматривается следующая классификация ретрансляционных станций (РС): тип 1 – непрозрачные (non-transparent) и тип 2 – прозрачные (transparent) PC [15].
Ретрансляционные станции типа 1 с непрозрачной ретрансляцией создают фактически собственную ячейку и имеют свой идентификатор соты (англ. CellID), обеспечивают при этом передачу сигналов синхронизации и управления, а также передачу опорных сигналов.
В прозрачных PC абонентский терминал не знает, что взаимодействует с eNodeВ через ретрансляционную станцию. При такой прозрачной процедуре поддерживается разделение передачи данных и сигналов управления. Абонентский терминал, находясь в зоне обслуживания eNode В, принимает управляющие сигналы непосредственно от нее, в то время как поток данных он получает через ретрансляционную станцию.
Широковещательная передача в LTEeMBMS (англ. еvolved Multimedia Broadcast Multicast Services) позволяет повысить лояльность клиентов и увеличить количество подключений, так как дает возможность реализовать на базе этой технологии широкий спектр услуг. Технология не требует больших инвестиций и накладывается на уже существующие сети, монетизируя проходящий трафик. При реализации технологии eMBMS число абонентов, одновременно принимающих сигнал по широковещательному каналу, почти не ограничено (для всех пользователей используется один канал).
Сети мобильной связи постоянно усложняются, появляются новые стандарты и технологии. В связи с этим сеть сложно конфигурировать, оптимизировать и оперативно реагировать на аварийные ситуации.
Для решения указанных задач в спецификациях LTE предложена технология самоорганизующихся сетей (англ. Self Organized Network, SON), которая позволяет достичь улучшения качества обслуживания абонентов за счет автоконфигурации новых сот, автобалансировки нагрузки, автооптимизации радиопокрытия, в т.ч. во время аварийных ситуаций. Помимо этого, технология SON позволяет минимизировать электропотребление сетевых элементов за счет уменьшения их мощности излучения во время снижения абонентского трафика.
Будущее за сетями 5G
К сетям мобильной связи пятого поколения (5G) предъявляются следующие технические требования [10]: Сети 5G
- Рост скорости передачи данных в 10-100 раз в расчете на абонента – до 10 Гбит/с (по линии «вниз») и до 5 Гбит/с (по линии «вверх»).
- Рост в 1000 раз – до 500 Гбит/с на абонента в месяц.
- Увеличение количества подключаемых абонентских устройств в соте в 10-100 раз.
- Десятикратное увеличение времени автономной работы абонентских устройств с небольшим энергопотреблением, таких как M2M (англ. Machineto Machine) датчики.
- Сокращение времени задержки до 10 мс (при передаче пользовательского трафика).
Таким образом, скорости в этих сетях будут выше, а задержки ниже. Стандарт 5G разрабатывается в первую очередь для обеспечения абонентам мультимедийных услуг, облачных сервисов, услуг дополненной и виртуальной реальности, атакже усовершенствования M2M сервисов.
Сети 5G будут строиться на основе уже существующих сетей мобильной связи (см. рис. 12) [10], покрывая только те территории, где есть необходимость в большом объеме передаваемых данных на больших скоростях с малыми задержками.
Рисунок 12. Модель построения сети 5G
В связи с тем, что в сетях 5G планируется использовать частотные диапазоны 6-60 ГГц [10], они будут строиться в основном на базе малых сот. Планы по развитию сетей 5G на основе Small Сell показаны на рис. 13.
Рисунок 13. Планы по созданию Small Cell
Стандарт 5G разрабатывается рядом организаций по всему миру [10], которые уже в текущем году должны представить концепцию этого стандарта и начать опытные запуски, а уже к 2020-му сети пятого поколения должны быть запущеныв коммерческую эксплуатацию.
Одной из самых интересных особенностей сетей 5G является режим взаимодействия «устройство-устройство» (англ. Deviceto Device, D2D). Этот вид связи станет доступен абонентам, когда они будут общаться друг с другом, находясь нанезначительном удалении друг от друга, при этом в сеть будет отправляться только служебная информация, а передача данных при этом будет происходить без участия сетевых элементов.
Также благодаря технологии D2D будет реализована возможность ретрансляции сигналов в случае значительного удаления абонента от БС.
Таким образом, основные технологии и принципы, на базе которых будут реализованы сети 5G:
- Широкое распространение малых сот (Small Cell).
- Применение многомерных MIMO.
- Режим D2D.
- Задействование более высоких частотных диапазонов и большей полосы частот.
Увеличение проникновения услуги мобильного Интернета и, как следствие, лавинообразный рост трафика стимулируют операторов к активному развитию сетевой инфраструктуры, вводу новых услуг и повышению качества сервисов засчет внедрения новых перспективных технологий. В свою очередь, технологическое развитие сетей 5G будет ориентировано на внедрение сверхплотных сетей беспроводного доступа. Бизнес-модели операторов будут строиться в основномна предоставлении услуг в объединенных сетях 4G/5G. БИТ
- Отчет компании Erricsson о числе подписчиков и потребляемом трафике URL – http://www.ericsson.com/res/docs/2014/ericsson-mobility-report-november-2014.pdf.
- Прогноз по числу потребляемого трафика Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Data Traffic Forecast Update. URL – http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/white_paper_c11-520862.html.
- Аммосов Ю.П. Абонент-2015. Как делается выбор мобильного оператора // IV Международный форум «TELECOM NETWORKS 2.0. Fiber & LTE Infrastructure, Engineering, Development, Outsourcing, Sharing & Metering». – Москва, Россия. 10 сентября 2014 года.
- Результаты исследования российского рынка смартфонов по итогам 2014 года. J’son & Partners Consulting. URL – http://json.tv/ict_telecom_analytics_view/rossiyskiy-rynok-smartfonov-itogi-2014-goda-20150120020050.
- Исследование числа LTE-устройств компании GSACOM. URL – http://www.gsacom.com/downloads/pdf/GSA_lte_ecosystem_report_200415.php4.
- Отчет компании Erricsson о числе подписчиков и потребляемом трафике. URL – http://www.ericsson.com/res/docs/2015/ericsson-mobility-report-feb-2015-interim.pdf.
- Cтепутин А.Н. Мобильный Интернет настоящего и будущего. Какие инновационные технологии внедряют операторы мобильной связи? // IV Санкт-Петербургский форум «Open Telecom». – Санкт-Петербург, Россия. 26 марта 2015 года.
- Исследование числа сетей мобильной связи компании GSACOM. URL – http://gsacom.com/news/gsa_425.php.
- Структуры гетерогенных сетей. URL – http://1234g.ru/4g/lte/struktury-setej-lte/geterogennye-seti-klyuchevye-tekhnologii-hetnet-i-stsenarii-razvertyvaniya.
- Степутин А.Н. Технология 5G: Будущее сетей мобильной связи/ А.Н. Степутин, М.К.Скачков // Мобильные телекоммуникации. – [8-10’2014].– С. 12-16.
- Прокопович Я.А. OTT или VoLTE? Лучше вместе // II Международная конференция «Будущее VoIP-трафика в России и СНГ. Транзит и розничный рынок». – Москва, Россия. 28 ноября 2014 года.
- Краткие итоги и тренды на рынке LTE в сентябре 2014 года / Союз операторов мобильной связи LТЕ. URL – http://lteunion.ru/analytic/element678.
- Рыжков А.Е. Сети стандарта LTE. Развитие технологий радиодоступа / А.Е. Рыжков, М.А. Сиверс, А.С. Бабкин, А.М. Пыленок, А.П. Трофимов; СПбГУТ.– СПб., 2014.– 256 с.
- ZhangX., ZhouX.LTE-AdvancedAirInterfaceTechnology. – BocaRation: CRCPress. 2013. – 514 p.
- Скрынников В.Г. Радиоподсистемы UMTS/LTE. Теория и практика. – М.: Издательство «Спорт и Культура – 2000». – 2012 г. – 864 с.
В начало⇑
Facebook
Мой мир
Вконтакте
Одноклассники
Google+
Комментарии отсутствуют
Комментарии могут отставлять только зарегистрированные пользователи
|
_cover.jpg)
_cover.jpg)
_cover.jpg)
_cover.jpg)
