Сети с малыми задержками и низким потреблением энергии

Введение

Часто задаётся вопрос: какие же огромные средства нужны будут на развёртывание инфраструктуры 5G, если количество базовых станций там должно быть на несколько порядков больше, чем в сетях предыдущих по-колений?
Да, действительно, традиционная сетевая 3G/4G инфраструктура имеет много ограничений. Технология 5G решает многие проблемы ско-рости передачи данных, надёжности и задержек. Чтобы обеспечить более широкополосный сигнал и расширить зону охвата для большего количе-ства пользователей, технология 5G должна будет использовать концепцию малых сот (small cells).

1 5G small cell: малые соты с низким потреблением

Малые соты – это базовые станции с малым энергопотреблением, ко-торые охватывают небольшую зону или применяются внутри помещений. Однако малые соты имеют все основные характеристики обычных базовых станций и способны обрабатывать высокие скорости передачи данных для отдельных пользователей. В сетях LTE advanced и 5G малые соты будут играть важную роль для мобильного ШПД и приложений, где нужна ма-лая задержка сети.

Малые соты делятся на три основные категории в зависимости от зо-ны покрытия и количества пользователей, которых она может поддержи-вать.
1. Фемтосоты.
Фемтосоты – это небольшие мобильные базовые станции, предназна-ченные для покрытия внутри жилых и рабочих помещений. Проблема низкого уровня сигнала от базовых макро-станций для широких зон, ко-торые располагаются вне зданий (а это было чуть не не главным недостат-ком в 3G), может быть решена с помощью фемтосот внутри зданий. Фем-тосоты, подключенные через проводной Интернет, могут использоваться для разгрузки сети, в случае перегрузки мобильного ШПД, создавая об-ходной канал через Интернет, а также для расширения зоны покрытия и увеличения трафика данных для пользователей внутри помещений.

2 Особенности разработки ячейки коммутации оптического ком-мутатора для сетей с малы ми задержками

Если энергоэффективные сети большого радиуса (LPWAN) рассчи-таны на широкий территориальный охват, то беспроводные локальные се-ти (WLAN) решают менее грандиозные задачи. Их охват составляет от 1 до 300 метров в зоне прямой видимости. Это не мешает некоторым техно-логиям WLAN покрывать сигналом огромные площади коммерческих по-мещений и целые города.
WLAN – это локальные сети, которые строятся на основе беспровод-ных технологий. Для подключения устройств к сети передачи данных ка-бель не требуется. На рынке из технологий WLAN востребованы Wi-Fi, Bluetooth и инфракрасный порт, без которого невозможно представить пульты дистанционного управления.
К другим WLAN относятся:
 ZigBee, основные конкуренты которой – Wi-Fi, Bluetooth;
 WiMax, вытесненная LTE и Wi-Fi;
 UWB – «темная лошадка»; не распространена ввиду новизны.
Крупнейшие проекты с применением Bluetooth основаны на iBeacon – технологии определения местоположения внутри больших помещений или в подземных объектах. В 2016 году технологию iBeacon внедрил меж-дународный аэропорт Шереметьево. Для определения положения исполь-зуются Bluetooth-маячки и приложение на смартфоне. В приложении мож-но определять точное местоположение; строить оптимальные маршруты до нужных точек с учетом инфраструктуры аэропорта; выбрать рейс и по-лучать уведомления об изменении его статуса, номерах стоек регистрации пассажиров и багажа; получать оперативную информацию о задержках рейса.
iBeacon используется и для маркетинговых целей. Если пользователь скачает приложение торгового центра, в котором установлены маячки iBeacon, то при желании он сможет получать информацию о специальных предложениях расположенных там магазинов. В мегаполисах сервисы аренды используют Bluetooth-замки. Например, их тестирует московский «Делисамокат». Устройства открываются после оплаты пользователем аренды. Сервис YouDrive Lite тоже работает с bluetooth-замками.
В ноябре 2018 года ученые Массачусетского технологического ин-ститута разработали двухсекционную пилюлю, управляемую по Bluetooth с помощью смартфона. Таблетка печатается 3D-принтером методом по-слойной печати. В одном отсеке капсулы находится датчик с Bluetooth, а в другом – препараты. Инженеры, разработавшие таблетку, предлагают ис-пользовать ее для продолжительного лечения заболеваний, при которых важной становится динамика высвобождения медицинских препаратов. Срок жизни таблетки – пять недель, после чего она разрушается. Клиниче-ские испытания пилюли начнутся в ближайшие два года.

3 Особенности разработки ячейки коммутации оптического ком-мутатора для сетей с малы ми задержками

Исторически построение сетей связи общего пользования (ССОП) ориентировалось на обслуживание трафика передачи речи. Но такой тра-фик являлся основным лишь для телефонной сети общего пользования (ТфОП), а для гетерогенной пакетной сети связи следующего поколения (NGN) передача речи является приложением, требования по качеству пе-редачи которого повысились [1]. С развитием сетей связи появились новые приложения, такие как тактильные сети интернет или медицинские сети, требующие малых и сверхмалых задержек [2, 3]. В связи с этим необходи-мо пересмотреть подход к построению устройств, вносящих задержки в передачу трафика, например, коммутаторов и маршрутизаторов сети. В настоящее время ведутся разработки в области построения новых видов коммутационных устройств, работа которых основана на применении ме-таматериалов. В работе предлагается схема ячейки оптического коммута-тора, позволяющая выполнять требования по задержкам в таких сетях.
Сеть связи следующего поколения (NGN - Next Generation Network) позволяет предоставлять неограниченный набор услуг связи помимо пере-дачи речи, а также создание новых услуг.
Базовым принципом концепции NGN является отделение друг от друга функций переноса, коммутации, функций управления вызовом и функций управления услугами. Подробно сети связи следующего поколе-ния рассмотрены в [1].
В рекомендации ITU Y.1540 определены следующие сетевые харак-теристики сети NGN как наиболее важные с точки зрения степени их влия-ния на качество обслуживания:
- пропускная способность;
- надежность сети/сетевых элементов;
- задержка (мс) и джиттер-задержки;
- величина потерь (%);
- живучесть сети - возможность сохранения работоспособности сети при выходе из строя отдельных элементов.

Заключение

Таким образом, можно сделать следующие выводы.
В работе рассмотрены особенности построения сетей связи следую-щего поколения. Появление новых приложений вносит новые требования к качеству передачи информации в таких сетях, например, к задержкам. Предлагаемая ячейка коммутатора для полностью оптических сетей связи построена на основе метаматериалов и позволяет уменьшить время комму-тации устройств связи, а, следовательно, и задержки при передаче трафи-ка.